Что такое линейный и нелинейный режимы работы усилителя
Обновлено: 15.05.2024
реклама
Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.
Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения
В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.
Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.
реклама
Виды искажений:
1. Нелинейные искажения.
2. Ограничение уровня.
3. Интермодуляционные.
4. Коммутационные.
5. Динамические.
6. Самовозбуждение.
Звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается. Ничего идеального не бывает, в полезный сигнал обязательно будут внесено то, что в нем не содержалось – шумы, искажения, помехи от блока питания и другие вредные субстанции, мешающие качественному восприятию звука. Однако - пока о частном.
Нелинейные искажения - увеличение спектра исходного сигнала путем добавления гармоник. Если взять чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождения усилителя в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составляющие K*F, где К = 2, 3, 4, 5…
По виду, гармоники делятся на чётные и нечетные. Первые возникают при асимметрии сигнала. Ходят упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные … вот только руководящие материалы прошлого столетия дают весьма однозначные указания – вначале бороться с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. Асимметрия присуща всем элементам схемотехники усилителя, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.
Если не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1 КГц, амплитудой 1 вольт (пиковое).
Итак, нелинейные искажения. При появлении асимметрии сигнала появляются четные гармоники.
На всех графиках этого раздела, зеленый – симулированный сигнал; красный – образцовый, с слегка пониженной амплитудой.
реклама
Если в нижней части красная и зеленая линии почти совпадают, то в верхней начинает сказываться влияние диода и искаженный сигнал сильно обгоняет образцовый. То есть, положительная (выше уровня 0 V) и отрицательная полуволны не одинаковы, налицо явные признаки асимметрии.
У спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 кГц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четкая гребенка с максимумами на частотах 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 4 кГц…
Остановимся чуть подробнее. Первый пик на 1 кГц примерно такой же, что и для образцового сигнала – основная гармоника в обоих случаях с примерно равной амплитудой. Ну, это видно и визуально, они внешне похожи… если опустить тонкости, которые приводят к большому спектру гармоник. В образцовом сигнале есть только первая гармоника, а в симулированной цепи - с первой по десятую (вообще-то, спектр распространяется дальше 10 кГц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. А ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.
реклама
Со момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симуляцию стоит проводить в два этапа – вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить для получения более адекватных результатов. Для примера, повторим тест для обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):
Оба графика несут один и тот же смысл, но более долгий по времени обсчета (зеленый) график очевидно точнее.
Теперь схема для симметричной и нелинейной цепи:
реклама
Для симулирования нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Шоттки – по одному для положительной и отрицательной полуволн.
Форма напряжения в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.
реклама
Посмотрите на предыдущий тест – если там были пики на частотах 1, 2, 3… 10 кГц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.
Такой вид нелинейности вызывается нарушением монотонности сигнала. К ним относятся два случая:
реклама
Насыщение – может быть вызвано или ограничением, при очень большом уровне сигнала, либо срабатыванием защиты в усилителе по току или мощности.
реклама
Подобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещения на базе регулирующего транзистора, поэтому для симуляции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.
Обратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое время прохождение сигнала отсутствует. Если на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровня, то на симулированной цепи напряжение становится равным нулю. Чем меньше уровень сигнала, тем больше проявляется этот тип искажений, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала на выходе. Поэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. А иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений – при снижении уровня сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.
Искажения симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.
Если при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напряжения 0.5 вольт характеризуется остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Режимы работы усилительных приборов. Классы усилителей
Понятие режима работы или класса усилителя определяется соотношением анодного тока покоя к величине тока сигнала и формой анодного тока. До сих пор во всех примерах рассматривались усилители класса А, хотя данный факт до сих пор никак не акцентировался. Для исправления указанного упущения необходимо ввести некоторые определения.
Режим класса А
При этом режиме величина анодного тока покоя всегда задается такой, чтобы даже при минимально возможном значении входного сигнала (а также и при его отсутствии) анодный ток не снижался до нулевого значения. Иными словами, лампа, работающая в классе А, никогда не запирается. Если на вход (управляющую сетку) такого каскада усиления будет подано синусоидальное напряжение, форма анодного тока также будет синусоидальной. Режим класса А характеризуется наилучшей линейностью усиления, однако по энергетической эффективности он самый плохой. Теоретическое значение максимального КПД при синусоидальной форме выходного сигнала в режиме класса А равно 50%. Наиболее простое тому объяснение — большой ток покоя, существующий даже при полном отсутствии входного сигнала. Низкий КПД кроме очевидного высокого энергопотребления, неудобен тем, что на анодах ламп рассеивается повышенная тепловая мощность, что уменьшает максимально достижимую полезную мощность, отдаваемую ими.
Режим класса В
В этом режиме ток покоя равен нулю, а сам анодный ток протекает только при действии положительной полуволны входного сигнала. Таким образом, лампа заперта в период действия отрицательной полуволны входного сигнала. Так как входной сигнал фактически претерпевает однополупериодное выпрямление, в сигнале возникают существенные искажения в виде гармоник. Для решения данной проблемы приходится принимать дополнительные меры (применение двухтактных схем усиления). Однако, в режиме класса В анодный ток существует при любом значении амплитуды входного сигнала, что не нарушает линейности амплитудно-амплитудной характеристики усилителя. Теоретическое значение максимального КПД (при полном использовании лампы по напряжению и току, что на практике недостижимо) при синусоидальной форме выходного сигнала в случае двухтактного усилителя класса В составляет 78,5%. Это напрямую связано с отсутствием тока покоя.
Режим класса С
В режиме класса С время протекания анодного тока меньше времени действия положительной полуволны входного сигнала. Данный метод используется только в ВЧ усилителях радиопередатчиков, в которых могут использоваться резонансные методы восстановления основной гармоники сигнала. Это режим характеризуется гораздо более высокими значениями КПД и уровнем искажений по сравнению с применяемым в усилителях режимом класса В.
Угол отсечки. Режим класса АВ
Для характеристики длительности той части полупериода, в течение которой протекает анодный ток, радиоинженеры используют термины угловая длительность импульса и угол отсечки. Под угловой длительностью импульса тока понимается часть периода (выраженная в радианах), в течение которой существует анодный ток. Под углом отсечки (наиболее часто применяемом для количественного описания режима работы усилительных приборов) понимается половинное значение этой длительности. Используя данный термины, и учитывая, что полный период гармонических колебаний равен 360°, можно сказать, что для усилителей класса А длительность импульса тока равна целому периоду (ток непрерывен), а угол отсечки равен 180°. Для усилителей класса В угол отсечки составит 90°, а для усилителей класса С он составляет менее 90°.
Так как переходная область между классом А и классом В в их чистом виде достаточно обширна, то ввели промежуточный класс усилителей, известный как режим класса АВ, где анодный ток существует более полупериода, а угол отсечки превышает 90°, но не достигает 180°.
На рис. 7.4 приведена идеализированная проходная характеристика лампы (считая проницаемость равной нулю). Как видно из рисунка, режим работы усилителя (определяемый формой анодного тока) зависит от напряжения смещения на сетке лампы. В режиме класса А смещение выбирается на середине линейного участка проходной характеристики, благодаря чему анодный ток существует весь период действия входного (сеточного) напряжения. В усилителях класса В напряжение смещения выбирается равным напряжению отсечки проходной характеристики лампы, что запирает ее при всех более отрицательных напряжениях. Поэтому только во время действия положительного полупериода входного сигнала обеспечиваются условия для существования анодного тока. В режиме класса С напряжение смещения выбирается более отрицательным, чем напряжение отсечки лампы. Чем более отрицательное смещение выбрано, — тем меньше будет угол отсечки. Для получения режима класса АВ, наоборот, смещение выбирается менее отрицательное, чем напряжение отсечки. В этом случае, чем менее отрицательное смещение выбрано, тем больше будет угол отсечки.
Режимы классов АВ1 и АВ2
В аудиотехнике, как правило, вводят дополнительную классификацию режимов АВ, опираясь на наличие или отсутствие тока управляющей сетки.
Режимом АВ1 считается режим класса АВ, при котором ток управляющей сетки не существует. Большая часть мощных (свыше 50 Вт) классических усилителей представляют собой двухтактные усилители класса АВ 1.
Рис. 7.4 Соотношение между формой входного сигнала и анодным током для усилителей классов А, В и С
Режимом АВ2 считается режим, при котором входной сигнал создает положительный относительно катода потенциал на сетке, что создает условия для протекания сеточного тока. Это увеличивает эффективность работы, так как при этом условии остаточное анодное напряжение может в большей степени приближаться к нулевому значению, что особенно важно при работе триодов. С началом протекания сеточного тока входное сопротивление выходного каскада катастрофически падает (в соответствии с соотношением 1/gm) и в этих условиях для задающего каскада должно выполняться требование иметь очень низкое выходное сопротивление, чтобы обеспечить передачу обработанного сигнала в эту исключительно нелинейную нагрузку без искажений. Единственным способом снизить влияние этого дополнительно возникающего источника искажений является применение сеточного резистора утечки с низким значением сопротивления, который пропускал бы больший по величине ток сигнала по сравнению с ожидаемым сеточным током; таким образом, в момент, когда протекает сеточный ток, относительное изменение тока нагрузки (а, следовательно, и вызываемые его наличием нелинейные искажения) будут небольшими. Для некоторых современных усилителей с несимметричным выходом разработчиками также заявлен класс работы А2.
Далее будет показано, что эффективность работы усилителя может быть повышена только за счет улучшения линейности его характеристики.
Как было показано, работа однотактного каскада в режиме класса В вносит значительные искажения за счет однополупериод-ного усиления входного сигнала, что приводит к появлению высших гармоник. Естественно, это является весьма существенным недостатком для высоко-качественных усилителей Hi-Fi, для которых требуется высокая линейность характеристик.
Теперь предположим, что имеется две лампы, работающие в режиме класса В, на одну из них подается непосредственно входной сигнал, а на другую подается инвертированный (то есть противофазные ему) сигнал. Во время интервала t1 проводит ток верхняя лампа, тогда как вторая заперта. Во время интервала t2 ситуация меняется на обратную (рис. 7.5).
Вне зависимости от того, достигается этот результат использованием трансформатора, либо непосредственным последовательным включением ламп усилителя, такого, например, как катодный повторитель Уайта, данная схема подключения получила общее название — двухтактная схема, и она является единственным путем для достижения хорошей линейности характеристики в усилителях класса В, обеспечивающих гораздо более высокий КПД, нежели в классе А.
Неудивительно, что такое разделение сигнала и затем его последующее восстановление в исходном виде не является вполне безболезненной операцией и поэтому усилители класса В в чистом виде используются достаточно редко из-за искажений, возникающих во время переходного процесса в цепях кроссовера (фазоинвертора), когда усиление сигнала передается от одной лампы к другой. На практике допускается протекание небольшого тока покоя лампы с целью уменьшить влияние переходного процесса, что приводит к режиму работы в классе АВ. Теоретическое значение оптимального напряжения смещения для усилителя класса АВ находят путем экстраполяции линейной части передаточной характеристики до ее пересечения с осью входных напряжений V k. Однако на практике лампы не обладают идеальной линейной характеристикой, и в них не наблюдается безинерционного, резкого запирания, следовательно, индивидуальные особенности характеристики каждой лампы приводят к тому, что идеальная точка смещения не является соответствующей реальному положению дел и искажения, возникающие в кроссовере, не устраняются.
Читайте также: