Материал: МРБ 1109.(1986).[doc]

Показатели качества

Усилители высококачественного звуковоспроизведения должны удовлет­ворять определенным объективным и субъективным требованиям.

На сегодняшний день не существует полной объективной количественной системы оценок качества звучания, однозначно совпадающих с субъективным впечатлением. Такие характеристики качества звучания, как прозрачность, чис­тота звука, эффект присутствия, мягкость и естественность звука, до сих пор не имеют объективных оценок. Однако существующие методы объективной оценки технических параметров позволяют во многом количественно измерить и пред­сказать достижимое качество звучания при субъективном восприятии. Доста­точно полные сведения о технических характеристиках усилителя позволяют без электрических испытаний выяснить степень применимости усилителя для конкретного потребителя, быстро и правильно выбрать и спроектировать весь звуковоспроизводящий комплекс с учетом определенных условий эксплуатации, а также оценить предполагаемое качество звучания.

К основным техническим показателям УВЗ относятся входные и выходные ноказатели, коэффициент усиления, потребляемая мощность и КПД, линейные и нелинейные искажения, уровень собственных помех и шумов, амплитудная характеристика, динамический диапазон, стабильность показателей и др. Мы рас­смотрим те из них, которые непосредственно отражаются на субъективном вос­приятии качества звучания, а именно уровни линейных и нелинейных искаже­ний, собственных помех и шумов и динамический диапазон усилителя.

Для количественной оценки этих показателей важным является выбор фор-мы испытательных сигналов. В большинстве случаев напряжение на входе уси­лителя изменяется по периодическому закону. Форма кривой сигнала при этом может быть весьма разнообразной; она полностью зависит от характера сигна­лов усиливаемого напряжения.

Периодическое колебание может быть представлено в виде ряда Фурье:

Согласно этому выражению спектр входного сигнала представляется в виде бес­конечного ряда гармоник с кратными частотами от w=2пf до оо. Реально же при звукоусилении имеют дело с конечным диапазоном частот, что означает, что за пределами некоторой полосы, ограниченной верхней частотой f_в, амплитуды гар­моник равны нулю, т. е. U_k — 0 при kw>2пf_B.

В общем случае форма напряжения звукового сигнала не является перио­дической функцией времени и ее можно представить с помощью интеграла Фурье, являющегося распространением ряда Фурье на бесконечно большой пе­риод повторения функции. Для звуковых сигналов интервал между частотами гармоник стремится к нулю, и прерывистый спектр сигнала превращается в спло­шной. А это значит, что напряжение звукового сигнала имеет непрерывный спектр.

На практике при анализе и испытаниях усилителей звуковой частоты (34) в установившемся режиме часто используют в качестве входного сигнала на­пряжение синусоидальной формы, что является весьма условной и грубой мо­делью реальных сигналов, оправданной только с точки зрения методической про­стоты. Такая идеализация дает практически удовлетворительные результаты для грубой оценки качества усилителей 34.

Виды искажений, вносимых усилителем ЗЧ. Основным качественным по­казателем усилителя ЗЧ является степень неискаженного воспроизведения сиг­налов на выходе, подведенных ко входу. Под искажением понимается всякое изменение формы сигнала на выходе u_вых по сравнению с формой сигнала на входе u_вх. В идеальном случае выходное напряжение должно быть точно такой же функцией времени, как и входное, т. е.

u_вых(t) = K_вх(t).

где К — постоянный коэффициент, не зависящий от u_вх и t.

Обычно при прохождении сигнала через усилитель всегда возможен сдвнв сигнала во времени М, что не является искажением сигнала. Тогда условие не­искаженной работы усилителя имеет вид:

u_вых(t) = Кu_вх(t — Дt).

Для его выполнения необходимо, чтобы в усилителе отсутствовали линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элемен­тов усилителя — конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при уси­лении очень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно не учитывать.

К линейньим искажениям относятся: частотные, фазовые и переходные ис­кажения. Частотные искажения в усилителях являются следствием неодинако­вости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной по­лосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между ампли­тудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергети­ческий спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь де­лается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах зву­кового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатураль­ной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормиро­ванным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом ча­стотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной ча­стоте K к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:

М = К/К₆.

В логарифмических единицах он равен G[дБ]=201gM.

Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (на рис. 4 от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней f_a и верх­ней f_B граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения G_ДOП относительно коэффициента уси­ления на средних частотах. Область частот от f_н до f_B — рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.

Коэффициенты частотных искажений на низших G_H и высших G_B ча­стотах:

G_н = 20 lg [К (f_н)/Ko], G_B = 20 Ig [K (f_в)/K₀]

В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах:

G_0БЩ=G₁ + G₂+... + G_N.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ

Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь идеально плоскую АЧХ.

На практике усилители 34, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя 34 для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388 — 80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5... 1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.

Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в об­ласти верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот — емкостью разделительных и блокировоч­ных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада» либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых ча­стот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство при­водит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20... 100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на вы­соких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией зву­ковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.

Для борьбы с этими явлениями на входе усилителя включают специальные низкочастотные и высокочастотные фильтры. Этим обеспечивается эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сигналов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сигнала. Оптимальная крутизна спада у таких фильтров — 12 дБ на октаву. Фильтры часто делают переключаемыми, что позволяет выбирать ширину воспроизводимых частот в соответствии с качеством музыкальной программы. Искусственно ограничи­вать полосы отдельных ФУ, особенно усилителей мощности, нецелесообразно, так как это приведет к увеличению линейных искажений, особенно фазо-частотныя и переходных.

Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сиг­нала, вследствие чего искажается его форма. В качестве примера рассмотрим гармонический сигнал, состоящий из основной и третьей гармоник (рис. 5, а). Если в результате прохождения через усилитель третья гармоника получит сдвиг на 90° по отношению к первой, то, как видно из рис. 5,6, форма сигнала изменится. Если же и первая гармоника будет иметь сдвиг фазы 30° (рио. 5, в), то сигнал только сдвинется во времени, но форма его не изменится.

Фазо-частотные искажения будут отсутствовать, когда усилитель на всех частотах полосы пропускания не вносит фазовых сдвигов и если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, пропорционален частоте сигнала.

Рис. 5. Искажения формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его со­ставляющих

Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазо-частотной характери­стике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дф выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.

Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При ДФ>0 выходное напряжение опережает входное, при Дф<0 — отстает. Не соз­дающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависи­мость фазового сдвига от частоты:

Д_Ф(f)= — 2пt₃(f — f₀),

где t_a — групповое время запаздывания.

Групповое время запаздывания представляет собой производную по часто­те ФЧХ, т. е. t₃=dф>(t)/(2пdf). При линейной ФЧХ все спектральные составля­ющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время ta, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейна, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведе­ния нарушится.

Количественной оценкой фазовых искажений служит нелинейность ФЧХ ре­ального усилителя, равная разности между реальной ФЧХ усилителя и аппрок­симирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот. Аппроксими­ровать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрез­ками (на рис. 6 отмечены цифрами 1, 2, 3).

Принято считать, что в широком диапазоне звуков человеческое ухо не ре­агирует на изменение фазовых соотношений между отдельными гармонически­ми составляющими спектра сигнала. Отчасти это верно при монофоническом воспроизведении. Однако в высококачественных стереофонических и особенно в квадрафонических системах фазо-частотные искажения существенно влияют на верность воспроизведения музыкальной программы, поэтому эти искажения должны быть нормированы. Следует отметить, что в активных псевдоквадра­фонических системах эффект объемности звукового образа достигается фор­мированием специальных фазовых характеристик усилителей тыловых каналов.

Рис. 6. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ

По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дф_н и высшей Дф_в частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В вы­сококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения бф в рабочем диапазоне частот не должны превышать 4... 5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовой характеристики в пределах рабочего диапазона бы­ла меньше 2°, полосу пропускания усилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т. е. для усилителей высококачественного звуковоспроизведения, име­ющих исчезающе малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8... 50 000 Гц.

Как отмечалось, реальный звуковой сигнал имеет сложную импульсную фор­му. В высококачественных усилителях требуется высокая верность сохранения формы входного сигнала. Изменение формы сигнала на выходе усилителя зави­сит как от амплитудно-частотных, так и фазо-частотных искажений. Ожидаемое изменение формы сигнала может быть легко определено анализом переходных процессов в цепях усилителя, обусловленных наличием реактивных элементов. Поэтому для количественной оценки искажений из-за переходных процессов, приводящих к изменению формы сигнала, удобно проанализировать переход­ную характеристику (ПХ) усилителя.

Переходная характеристика есть реакция h(t) усилителя на воздействие еди­ничной функции 1 (t) (рис. 7) и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя u_вых(t) от времени при скачкообраз­ном изменении напряжения на входе усилителя. Переходные искажения оцени­ваются искажениями фронта и плоской вершины импульса. Обычно в усилите­лях 34 искажения плоской вершины импульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями в низкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХ усилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности t_ф и выбросу б_ф (см. рис. 7). Они приводят к динамиче­ским искажениям, которые проявляются в виде завала фронта резких пере­падов уровня реального музыкального сигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-за запаздывания сигнала отрицатель­ной обратной связи (ООС). Для уменьшения динамических искажений обычно повышают быстродействие усилителя и уменьшают глубину ООС.

Рис. 7. Переходная характеристика усилителя ЗЧ

Быстродействие усилителя можно оценить как по длительности фронта, так и по полосе пропускания или максимальной скорости нарастания выходного сигнала u_max. Максимальная скорость нарастания для линейных систем связа­на с полосой пропускания (ее верхней границей) соотношением:

u_mаx = 2 п f_mаx U_{0 mах},

где f_maх — максимальная частота, передаваемая усилителем без искажений; U_{о mах} — максимальная неискаженная амплитуда выходного синусоидального сигнала.

Однако оконечный усилитель очень редко можно считать достаточно близ­ким к линейной системе, особенно на высоких частотах, поэтому ы_тах для уси­лителей мощности 34 оценивают по ПХ.

Значение «max определяют по ПХ (см. рис. 7) как максимальную произ­водную h (t), т. е.

Чем больше скорость нарастания выходного напряжения, тем качественнее воспроизводится звуковая панорама. Характерное значение u_max для высокока­чественных усилителей мощности составляет 8... 80 В/мкс. Именно такие уси­лители получают высокую оценку со стороны экспертов при определении каче­ства звуковоспроизведения [2].

Выброс фронта бф (см. рис. 7) есть относительная разность между макси­мальным значением выходного напряжения U_max и его установившимся значе­нием U_у:

Наличие выброса в ПХ приводит к «звонам», к «металлическому» звуку. В вы­сококачественных усилителях выброс бф не должен превышать 4... 6%.

Между АЧХ, ФЧХ и ПХ усилителя существует сложная зависимость, связанная с тем, что все три характеристики обусловлены наличием одних и тех же реактивных элементов. Однако существующие графические методы, позво­ляющие по известным АЧХ и ФЧХ определить ПХ, довольно громоздки и не наглядны. На практике проще получить ПХ на экране осциллографа, при необ­ходимости подкорректировать ее и оценить параметры.

Нелинейные искажения вызваны прохождением сигнала через эле­менты, имеющие нелинейные характеристики, например, через транзисторы, вследствие чего искажается форма колебания и меняется его спектральный со­став. Поскольку усилитель вносит нелинейные искажения, то на его выходе по­являются новые компоненты (гармоники), отсутствующие на входе, что вызы­вает искажение тембра звука. Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник Кг:

где Р_г — суммарная мощность гармоник; pi — мощность полезного сигнала.

Из всех гармоник наиболее интенсивны вторая и третья. Остальные имеют гораздо меньшую мощность и мало влияют на форму выходного сигнала.

Коэффициент гармоник многокаскадного усилителя обычно близок к сумме коэффициентов гармоник отдельных каскадов. Поэтому если нелинейные иска­жения в предварительных каскадах соизмеримы с искажениями в оконечном ка-

скаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле:

K_р.общ ⁼ K_г1 + K_г2 + ...+ K_гn,

Однако коэффициент Кг дает неполное представление о нелинейных искажениях в усилителе, так как он не учитывает сигналы комбинационных частот, образу­ющиеся в результате интерференции между отдельными составляющими слож­ного колебания. Наиболее заметны нелинейные искажения из-за комбинацион­ных частот, возникающие при подаче на усилитель двух и большего числа си­нусоидальных сигналов. Особенно заметны комбинационные частоты вида f1 — f2, f1 — 2f2, 2f1 — f2, так как они, как правило, не содержатся в спектре даже слож­ного входного сигнала.

Для высококачественных усилителей часто вводят еще один показатель, характеризующий их нелинейность, — коэффициент интермодуляционных иска­жений K_им.и. При измерении K_им.и на вход усилителя подают два гармониче­ских колебания с частотами: f₁=50... 100 Гц и f2=5... 10 кГц при отношении амплитуд U_BX(f₁)/U_BX(f₂)=4/l. Коэффициент K_им., равен отношению амплиту­ды выходного напряжения разностной частоты fz — fi к амплитуде выходного на­пряжения частоты f₁: