اعوجاج های خطی و غیر خطی در تقویت کننده ها. اعوجاج سیگنال در تقویت کننده های سیگنال الکتریکی

اعوجاج های خطی نسبت های دامنه را در سیگنال تقویت شده نقض نمی کنند. اگر اعوجاج خطی سیگنال در تقویت کننده وجود داشته باشد، مشخصه دامنه دچار اعوجاج نمی شود. با این حال، اعوجاج خطی، البته، سیگنال تقویت شده را مخدوش می کند. این اعوجاج‌ها با ویژگی‌های فرکانس دامنه-یکنواخت تقویت‌کننده و غیرخطی بودن ویژگی‌های فرکانس فاز آن مرتبط هستند. در این راستا، اعوجاج خطی را اغلب اعوجاج فرکانس می نامند. ویژگی اصلی اعوجاج های خطی این است که باعث نمی شوند اجزای جدیدی در طیف سیگنال خروجی ظاهر شوند. در نتیجه تأثیر اعوجاج های خطی، سطوح مولفه های طیفی (فرکانس) فردی آن فقط می تواند تغییر کند.

از آنجایی که اعوجاج خطی معمولاً باعث نقض ویژگی دامنه فرکانس می شود ، به عنوان یک قاعده ، اندازه آنها دقیقاً با روش مطالعه این مشخصه تقویت کننده تعیین می شود. با این وجود، همانطور که در بالا ذکر شد، اعوجاج خطی همچنین می تواند ناشی از نقض خطی بودن مشخصه فرکانس فاز تقویت کننده باشد، که خود را در زمان انتشار نابرابر اجزای فرکانس مختلف سیگنال تقویت شده نشان می دهد. بلندگو با سیستم طیف تقسیم شده سیگنال صوتیو ضبط صوت های آنالوگ این پدیده را به خوبی نشان می دهند.

اعوجاج غیرخطی - تغییر در شکل نوسان، به دلیل سیر غیرخطی مشخصه انتقال از طریق. درجه تجلی این اعوجاج در درجه اول به سطح سیگنال بستگی دارد، با اعوجاج، به عنوان یک قاعده، هر چه بیشتر، بیشتر این سطح باشد. تفاوت اصلی اعوجاج غیر خطیاز خطی (فرکانس گذرا و فاز فرکانس) این است که وقوع اعوجاج های غیرخطی با ظهور اجزای اضافی جدید در طیف سیگنال خروجی همراه است.

یکی از مهمترین ویژگی های مسیرهای مهندسی صدا، داده های مربوط به مقدار محدود کننده قدرت سیگنال خروجی است که در آن اعوجاج های غیرخطی از حد مجاز فراتر نمی روند.

اعوجاج در ویژگی های دامنه تقویت کننده منجر به اعوجاج قابل توجهی در نسبت های دامنه در سیگنال تقویت شده می شود و می تواند تغییرات قابل توجهی در شکل آن ایجاد کند. برخلاف اعوجاج های خطی، اعوجاج های غیرخطی همیشه منجر به ظهور مولفه های طیفی (فرکانس) اضافی در سیگنال خروجی می شوند که در سیگنال ورودی وجود ندارند. اگر اعوجاج های خطی عمدتاً رنگ صدا را تغییر دهند ، تظاهر اعوجاج های غیر خطی حتی مضرتر است ، زیرا منجر به تغییرات قابل توجهی در سیگنال تقویت شده می شود. نمونه ای از استفاده عمدی از اعوجاج های غیر خطی، اعوجاج، اوردرایو، فاز دستگاه های پردازش سیگنال است.

3. روش های اندازه گیری اعوجاج خطی در بلندگوها: پاسخ فرکانسی، پاسخ فاز. پارامترهای اساسی (محدوده فرکانس قابل تکرار، حساسیت مشخصه، ناهمواری و غیره)

هنگام انتقال سیگنال از طریق تمام قسمت های ضبط صدا و مسیرهای انتقال صدا (از جمله از طریق بلندگو)، انواع مختلفاعوجاج ناشی از ویژگی های فرآیندهای تبدیل سیگنال الکترومکانیکی، مکانیکی و دیگر صداها.

این اعوجاج ها را می توان به خطی و غیر خطی تقسیم کرد.

اعوجاج خطیروابط دامنه و فاز بین اجزای طیفی منفرد سیگنال را تغییر می دهند و به همین دلیل می توانند شکل زمانی آن را تغییر دهند، اما اجزای طیفی جدیدی را معرفی نمی کنند و به سطح بستگی ندارند. سیگنال ورودی.

اعوجاج غیر خطیبا ظهور مولفه های طیفی جدید در طیف سیگنال خروجی مشخص می شوند که ساختار زمانی سیگنال را بسته به سطح آن تغییر می دهند.

در همه بلندگوها، اعوجاج خطی و غیرخطی سیگنال های موسیقی و گفتار رخ می دهد.

زیرا اعوجاج خطیروابط دامنه و فاز بین اجزای طیفی منفرد سیگنال را تغییر دهید، سپس برای تعیین میزان اعوجاج خطی، از مفاهیم AFC (پاسخ دامنه-فرکانس) و PFC (پاسخ فرکانس فاز) استفاده می شود.

پاسخ فرکانس فاز (PFC) وابستگی فرکانس اختلاف فاز بین سیگنال های ورودی و خروجی است.

پاسخ فاز نشان می دهد که چگونه تغییر فاز بین سیگنال های هارمونیک ورودی و خروجی با تغییر فرکانس از صفر به بی نهایت تغییر می کند.

یکی از روش های تعیین مشخصه های فرکانس فاز، e تجربی:

1. یک سیگنال سینوسی هارمونیک به ورودی سیستم عرضه می شود که فرکانس (امگا کل) آن در یک محدوده معین تغییر می کند.

2. اندازه گیری برای هر فرکانس، تغییر فاز (fito) بین سیگنال های ورودی و خروجی

3. با تغییر فرکانس از صفر به بزرگترین ارزش، یک نمودار بسازید:

مشخصه دامنه فرکانس (AFC) - وابستگی سطح فشار صدا به فرکانس. به طور معمول، اندازه‌گیری‌های پاسخ فرکانسی در محفظه‌های مرطوب‌شده خاصی انجام می‌شود، که عملیات سطحی آن‌ها می‌تواند به میزان قابل توجهی اثر بازتاب‌ها را کاهش دهد. سیگنال سینوسی یا نویز به عنوان سیگنال اندازه گیری استفاده می شود. با این حال، در حال حاضر به طور گسترده استفاده می شود روش های دیجیتالاندازه گیری در اتاق های بدون پارازیت بر روی سیگنال های ضربه ای، که امکان به دست آوردن یک طیف سه بعدی را فراهم می کند. اگر ناگهان بپرسند (در غیر این صورت بهتر است ذکر نشود): طیف (از نظر علمی "طیف دامنه" نامیده می شود، زیرا یک "طیف فاز" نیز وجود دارد) - این مجموعه ای از فرکانس های طبیعی و دامنه های ارتعاش است که در جسم معینی با اعمال نیروی خارجی به آن برانگیخته می شود).

- بازتولید موثر محدوده فرکانس- محدوده ای که در آن سطح فشار صوت با مقدار معینی در رابطه با میانگین سطح فشار صوت در یک محدوده فرکانسی معین کاهش می یابد (در بهترین مدل هاواحدهای کنترل، با کاهش 3 دسی بل در فرکانس های پایین و بالا به 20 ... 20000 هرتز می رسد.

- حساسیت مشخصه- نسبت متوسط ​​فشار صوتی ایجاد شده توسط سر بلندگو در محدوده فرکانسی معین (معمولاً 100 ... 8000 هرتز) روی محور کار در فاصله 1 متری با ورودی قدرت الکتریکی 1 وات (بسته به کاربرد، در محدوده زیر است: سر بلندگو برای سیستم های صوتی خانگی - 86 ... 89 دسی بل / وات / متر، برای واحدهای استودیو - 92 ... 94 دسی بل / وات / متر، برای کنسرت و تجهیزات تئاتر - 98...102 dB/W/m).

- پاسخ فرکانسی ناهموار- تفاوت بین حداکثر مقدارسطح فشار صوت و حداقل، یا بین حداکثر و متوسط ​​در محدوده فرکانس به طور موثر بازتولید شده (در مدرن سیستم های صوتیاین مقدار +/-1 دسی بل) است.

یکی از ویژگی های اعوجاج غیر خطی، چنین اعوجاجی از fo است rms سیگنالی که در آن اجزای فرکانس جدیدی در طیف آن ظاهر می شوند.

غیر خطی بودن تقویت کننده به دلیل وجود آن در آن است عناصر غیر خطی(ترانزیستور، لامپ، ترانسفورماتور، دیود). عنصر غیر خطی حاوی پارامترهای غیر خطی (مقاومت ورودی ترانزیستورها، دیودها، نفوذپذیری مغناطیسی دینامیکی مواد هسته ترانسفورماتور) است.

اعوجاج های غیرخطی بر اساس مشخصه دینامیکی تخمین زده می شوند که رابطه بین مقادیر لحظه ای جریان ها یا ولتاژها در خروجی و ورودی تقویت کننده است. مشخصه دینامیکی برای محدودیت های بزرگ تغییر سیگنال تعیین می شود که منجر به ورود به منطقه وابستگی های غیر خطی بین ولتاژها و جریان ها می شود.

انواع زیر از ویژگی های دینامیکی وجود دارد:

• 1. نوع مشخصه پویا خروجی
• 2. نوع پاسخ پویا را وارد کنید
• 3. مشخصه دینامیکی نوع پاس
• 4. از طریق نوع پاسخ پویا

در اینجا i 2 و u 2 - مقادیر لحظه ای جریان ها و ولتاژها در خروجی، i 1 و u 1 - مقادیر لحظه ای جریان ها و ولتاژها در ورودی، e 1 - منبع emfسیگنال ها در ورودی تقویت کننده

به عنوان مثال، یک مشخصه معمولی جریان عبوری را در نظر بگیرید که اغلب برای محاسبه اعوجاج های غیرخطی استفاده می شود (شکل 1.14، a).

برنج. 1.14.

الف) واقعی ب) ایده آل

مشخصه دینامیکی مربوط به عدم وجود اعوجاج معرفی شده توسط تقویت کننده در شکل نشان داده شده است. 1.14، الف.

هنگامی که مشخصه دینامیکی از یک خط مستقیم منحرف می شود، اعوجاج غیر خطی رخ می دهد. اعوجاج های غیر خطی اصلی توسط آبشارهای نهایی و پیش ترمینال معرفی می شوند که در آن عناصر تقویت کننده فعال در حالت سیگنال بزرگ عمل می کنند.

مواد و روش ها کمی سازیاعوجاج غیر خطی

مقدار اعوجاج غیر خطی را می توان تعیین کرد:

• 1. مستقیماً به شکل یک مشخصه پویا.
• 2. با توجه به طیف اعوجاج غیر خطی (هارمونیک، فرکانس ترکیبی).

هنگام ارزیابی اعوجاج‌های غیرخطی طبق روش اول مورد استفاده در تلویزیون، میزان اعوجاج با نسبت میانگین تغییر در شیب مشخصه دینامیکی تعیین می‌شود که زمانی رخ می‌دهد که ولتاژ سیگنال در محدوده از u 1 max در نوسان است. u 1 دقیقه به مقدار اولیه شیب در u 1 0 برابر با tg، که مربوط به ضریب اعوجاج غیر خطی است.

موارد فوق در شکل 1.15 توضیح داده شده است.

برنج. 1.15.

هنگام ارزیابی اعوجاج های غیر خطی بر اساس روش دوم، باید فرض کرد که:

• الف) سیگنال ورودی یک نوسان هارمونیک ثابت با فرکانس معین است.
• ب) سیگنال ورودی یک نوسانات دوره ای ثابت با شکل پیچیده است.

موارد (الف) و (ب) هم از نظر ماهیت اعوجاج های غیرخطی حاصل و هم در رابطه با روش محاسبه و اندازه گیری آنها به طور قابل توجهی متفاوت است.

در حالت (الف) به دلیل غیر خطی بودن تقویت کننده، علاوه بر نوسانات با فرکانس سیگنال در ورودی، نوسانات هارمونیک ها با فرکانس ها و غیره ایجاد می شود. در این حالت، بزرگی اعوجاج غیرخطی با ضریب هارمونیک Kr تعیین می شود، که نسبت کل مقدار موثر ولتاژ (یا جریان) هارمونیک ها به ولتاژ (یا جریان) فرکانس اصلی است. .

ضریب اعوجاج هارمونیک معمولاً به صورت درصد به صورت زیر بیان می شود:

بدیهی است که مقدار Kr به جای تغییر تغییر نمی کند ارزش های موثرولتاژ یا جریان، مقادیر دامنه آنها را جایگزین این عبارات کنید. با ویژگی صرفاً فعال مقاومت بار تقویت کننده، ضریب هارمونیک یافت شده از عبارات (1.13) و (1.14) مقدار یکسانی دارد، زیرا ولتاژها و جریان های همه هارمونیک ها با یک مقدار مقاومت ثابت به هم متصل می شوند. با ماهیت پیچیده مقاومت بار، مقادیر Kg یافت شده از عبارات نشان داده شده متفاوت است و بسته به آنچه در مورد مهم است، باید از (1.13) یا (1.14) استفاده شود. در حال بررسی - اعوجاج ولتاژ یا جریان غیر خطی.

در هر صورت، ضریب هارمونیک را می توان بر حسب نسبت توان هارمونیک کل به توان فرکانس اساسی بیان کرد، یعنی.

مقدار مجاز ضریب هارمونیک برای تقویت کننده های فرکانس صوتی، بسته به کیفیت مسیر پخش مربوطه، از 0.1٪ تا (3 ... 5)٪ متغیر است. به خصوص الزامات سختگیرانه ای برای اعوجاج های غیر خطی بر تقویت کننده های تجهیزات اندازه گیری اعمال می شود (Kg از مرتبه صدم و هزارم درصد). که در تقویت کننده های تلویزیوناعوجاج غیر خطی، که منجر به تغییر در نسبت روشنایی می شود، می تواند قابل توجه باشد (Kg = 10 ... 15%)، بدون اینکه به طور قابل توجهی بر کیفیت تصویر تأثیر بگذارد. همین امر در مورد تقویت کننده های پالس نیز صدق می کند، که در برخی موارد از محدود کردن سیگنال ها به حداکثر استفاده می کنند.

شاخص کیفیت اصلی تقویت کننده دقت بازتولید شکل سیگنال تقویت شده است. در یک تقویت کننده ایده آل، شکل موج خروجی باید دقیقاً با شکل موج ورودی مطابقت داشته باشد. انحراف شکل سیگنال خروجی از شکل سیگنال اعمال شده به ورودی آن نامیده می شود اعوجاج . دو نوع اعوجاج در تقویت کننده ها وجود دارد - خطی و غیر خطی. هر دو نوع اعوجاج شکل سیگنال ورودی را تغییر می دهند، اما دلایل ظاهر آنها متفاوت است.

اعوجاج خطی به دلیل وابستگی مدول بهره ولتاژ یا جریان و همچنین تغییر فاز بین مقادیر ورودی و خروجی به فرکانس سیگنال ورودی است. اعوجاج خطی را می توان به فرکانس و فاز تقسیم کرد.

شکل یک سیگنال پیچیده در خروجی تقویت کننده ای که در آن کار می کند حالت خطیاگر مولفه های هارمونیک سیگنال ورودی در تقویت کننده به طور متفاوتی تقویت شوند و همچنین اگر تغییر فاز معرفی شده توسط تقویت کننده برای اجزای هارمونیک جداگانه متفاوت باشد، با ورودی متفاوت خواهد بود. تغییرات شکل سیگنال خروجی ناشی از این دلایل را به ترتیب اعوجاج فرکانس و فاز می نامند.

اعوجاج فرکانس - این اعوجاج به دلیل تغییر در مقدار بهره در فرکانس های مختلف است. پاسخ فرکانسی ایده آل باید در کل محدوده فرکانس کاری بهره یکسانی داشته باشد. مشخصه واقعی دارای "انسداد" در فرکانس های نزدیک به مرزهای محدوده فرکانس کاری است. کاهش سود توسط فرکانس های پایین تربا افزایش توضیح داده شده است ظرفیتخازن های ایزوله

با کاهش فرکانس سیگنال.

برای کمی سازی اعوجاج فرکانساستفاده کنید فاکتور اعوجاج فرکانس (M)، برابر با نسبت بهره در فرکانس های متوسط ​​(K cf) به بهره در یک فرکانس معین (K ¦):

M = K cf / K ¦ .

از آنجایی که بیشترین اعوجاج فرکانس در مرزهای محدوده عملیاتی است، پس هنگام محاسبه تقویت کننده، ضرایب اعوجاج فرکانس در کمترین مقدار تنظیم می شود و فرکانس های بالاتر، یعنی

M n \u003d K cf / K n و M در \u003d K cf / K in.

اعوجاج فرکانس در تقویت کننده همیشه با ظهور اعوجاج فاز همراه است. هنگام تقویت یک سیگنال سینوسی با فرکانس ثابت، اعوجاج خطی نقش مهمی بازی نمی کند: در یک فرکانس خاص، همیشه می توان به تقویت کافی دست یافت و جابجایی فاز را می توان جبران کرد. مشکل اعوجاج خطی زمانی به وجود می آید که سیگنال شکل پیچیده ای داشته باشد. برای چنین سیگنالی، اعوجاج های فرکانس فاز کمتر و اغلب قابل توجه تر از اعوجاج های فرکانس دامنه نیستند.

اعوجاج فاز بر ترکیب طیفی و نسبت دامنه های اجزای هارمونیک یک سیگنال پیچیده تأثیر نمی گذارد، بلکه باعث تغییر شکل آن در نتیجه جابجایی فازهای مختلف می شود که در اجزای سیگنال جداگانه پس از عبور از تقویت کننده رخ می دهد.

تأثیر اعوجاج فاز بر شکل یک سیگنال متشکل از دو هارمونیک به روشی ساده در شکل 1 توضیح داده شده است. 6.7، a و b. ساخت و ساز در شرایطی انجام شد که بهره به فرکانس بستگی نداشته باشد، اما برای هارمونیک دوم تقویت کننده یک تغییر فاز با زاویه φ = π/4 ایجاد می کند. از نمودار (شکل 6.7، ب) می توان دید که شکل سیگنال خروجی بسیار متفاوت از شکل ورودی است، بنابراین، اعوجاج فاز بزرگ، نه کمتر از فرکانس، بر کیفیت تقویت کننده تأثیر می گذارد. .

در غیاب تغییر هارمونیک نسبی، هیچ اعوجاج فرکانس فازی وجود ندارد. برای این کار باید شرایط زیر رعایت شود:

اگر پاسخ فاز خطی باشد، این شرط برقرار است (شکل 6.7، ج):

بر خلاف اعوجاج خطی، اعوجاج غیر خطی در تقویت کننده ها به دلیل وجود عناصر غیر خطی، در درجه اول ترانزیستورها و همچنین سایر عناصر است.

اعوجاج های غیرخطی به دلیل غیرخطی بودن رابطه بین سیگنال های ثانویه و اولیه، اعوجاج سیگنال نامیده می شوند. حالت ثابت. در نتیجه اعوجاج های غیر خطی بدون اینرسی سیگنال ورودی به شکل سینوسی، یک سیگنال خروجی با شکل پیچیده به دست می آید y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... که در آن: x - مقدار ورودی. y0 - جزء ثابت؛ v1 - بهره خطی. v2, v3 ... - ضرایب اعوجاج های غیر خطی.

در یک سیستم با غیر خطی مشخصه انتقالاجزای طیفی هستند که در ورودی نبودند - حاصل غیرخطی بودن. هنگامی که یک سیگنال با یک فرکانس f1 به ورودی چنین سیستمی اعمال می شود، اجزایی با فرکانس های f1، 2f1، 3f1 و غیره در خروجی ظاهر می شوند. اگر سیگنالی متشکل از چند فرکانس f1، f2، f3، ... به ورودی اعمال شود، در خروجی سیستم علاوه بر اجزای هارمونیک، اصطلاحاً "مولفه های ترکیبی" با فرکانس های n1f1 ± n2f2 وجود دارد. ± n3f3 ± ... به علاوه ظاهر می شود، که در آن n=1، 2، 3، ... هنگام اعمال صداهای با طیف پیوسته، یک طیف پیوسته نیز به دست می آید، اما با شکل تغییر یافته پوشش طیف.

مرسوم است که اعوجاج های غیرخطی را با ضریب اعوجاج های غیر خطی ارزیابی می کنند که نسبت مقادیر مؤثر هارمونیک ها به مقدار مؤثر سیگنال خروجی کل است و به صورت درصد اندازه گیری می شود. در اینجا An دامنه مولفه های با فرکانس nf است. فرمول ساده شده ارائه شده در این نزدیکی برای مواردی که اعوجاج کوچک هستند معتبر است (K<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
در انتقال صدا، روابط اولیه بین اجزای فرکانس صدا باید حفظ شود. در این رابطه، کیفیت هر بخش از کانال صوتی با ویژگی دامنه فرکانس (فرکانس اختصاری) آن تخمین زده می شود که اغلب با علامت اختصاری AFC نشان داده می شود. پاسخ فرکانس به عنوان نموداری از وابستگی ضریب انتقال به فرکانس سیگنال های ارائه شده به ورودی یک بخش معین از کانال یا یک دستگاه صوتی جداگانه درک می شود. بهره، نسبت بزرگی سیگنال ها در ورودی تقویت کننده و خروجی آن است.
پاسخ فرکانسی مسیر انتقال (وابستگی فرکانس بهره) رابطه بین دامنه های اجزای فرکانس را تغییر می دهد. این منجر به یک حس ذهنی تغییر در صدا می شود. یک شاخص درجه اعوجاج فرکانس که در هر دستگاهی رخ می دهد، ناهمواری مشخصه دامنه فرکانس آن است، یک شاخص کمی در هر فرکانس خاصی از طیف سیگنال، ضریب اعوجاج فرکانس است.

اعوجاج غیرخطی ناشی از غیر خطی بودن سیستم پردازش و انتقال سیگنال است. این اعوجاج باعث ایجاد اجزایی در طیف فرکانس سیگنال خروجی می شود که در سیگنال ورودی وجود ندارد. اعوجاج غیرخطی تغییراتی در شکل نوسانات عبوری از مدار الکتریکی (مثلاً از طریق تقویت کننده یا ترانسفورماتور) است که به دلیل عدم تناسب بین مقادیر ولتاژ لحظه ای در ورودی این مدار و در خروجی آن ایجاد می شود. این زمانی اتفاق می افتد که مشخصه ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی غیر خطی باشد. از نظر کمی، اعوجاج های غیرخطی با ضریب اعوجاج های غیرخطی یا ضریب هارمونیک تخمین زده می شوند. مقادیر THD معمولی: 0% - سینوسی. 3٪ - شکلی نزدیک به سینوسی؛ 5٪ - شکلی نزدیک به سینوسی (انحرافات شکل قبلاً برای چشم قابل مشاهده است). تا 21٪ - یک سیگنال ذوزنقه ای یا پله ای. 43% یک سیگنال موج مربعی است.

می دانید، من واقعاً می خواهم موسیقی را با کیفیت خوب گوش کنم. "Balalaikas" با صدای تخته سه لا فقط در سن مدرسه ابتدایی مناسب است، اگرچه خرس بدون در نظر گرفتن رده سنی روی گوش راه می رود. فکر می کنم اکثر کسانی که این مقاله را باز می کنند زمانی به بلندگوها و آمپلی فایرها علاقه داشتند و این فنجان از دست من رد نشد. متأسفانه من در این زمینه حرفه ای نیستم، بنابراین قضاوت های موجود در مقاله ممکن است چندان موفق نباشند و بخش قابل توجهی از آنها مشاهدات شخصی من است و بنابراین نباید آنچه در اینجا گفته شد را به عنوان حقیقت نهایی در نظر بگیرید.

لامپ، مس بدون اکسیژن و غیره

دوستداران آکوستیک به دو (و نه سه) دسته تقسیم می شوند - تکنسین ها و "شنوندگان". اولی فقط اعداد را می‌فهمد، دومی تمرین‌های دیجیتال را قبول نمی‌کند و بر ابرهای عقاید ذهنی اوج می‌گیرد... من هیچ مخالفی با اولی و دومی ندارم، فقط احمقانه است. مشکلات بازتولید صدا توضیحات فنی بسیار خاصی دارند و تنها ناتوانی در درک آنها باعث ایجاد شایعات و خرافات می شود. با این حال، برای اینکه نمایندگان سرسخت دسته دوم را تحریک نکنید، از آنها می خواهم که بلافاصله این مقاله را ببندند - این فقط اعصاب شما را خراب می کند. گناهکار، در مشیت الهی دخالت نکن.

برای بقیه، بیایید ادامه دهیم. اوه بله، دسته سوم را از دست دادم. افسوس که هیچ مقاله ای در مورد بازتولید با کیفیت بالا وجود ندارد و وجود ندارد و تبلیغات "صدای لوله" متوقف نمی شود که منجر به پر کردن مداوم متخصصان دسته سوم می شود. آقایان، رشته ها را بیشتر از گوش های خود بتکانید، این مدت هاست که به تعبیر چنین تاجران، تجارتی است که در آن پول سلاخی می شود. خودت تصمیم بگیر و به هیچکس به خصوص من اعتماد نکن

عوامل موثر بر کیفیت صدا

بیایید سعی کنیم بفهمیم چه چیزی بر کیفیت صدا تأثیر می گذارد. به طور دقیق تر، چه چیزی آن را خراب می کند. مقاله در مورد تقویت کننده صحبت خواهد کرد، بنابراین ما عوامل زودگذر را در نظر نخواهیم گرفت.

صدای طبیعی می خواهید؟ تنها یک راه وجود دارد - رفتن به یک کنسرت آکوستیک. یک سالن خوب، مجریان عالی - فقط این می تواند یک شایعه ایجاد کند. با شنیدن صدای صحیح، می توانید بفهمید که ما با این "بالالایکا" چقدر احمق هستیم. با این حال ... اما نه، متاسفم، تکرار می کنم - به یک کنسرت معمولی بروید. بدون این، نمی توان یاد گرفت که صدا را درک کند، مغز به سادگی چیزی برای مقایسه با آن ندارد.

اما من خواننده نیستم، پس بیایید مستقیماً به سراغ تکنیک برویم. راه های زیادی برای خراب کردن صدا وجود دارد و نادیده گرفتن هر چیز کوچکی منجر به شکست می شود. به همین دلیل است که نمی توانید فقط بنشینید و یک آمپلی فایر معمولی را لحیم کنید (حتی اگر دستگاه واقعاً با کیفیتی باشد) - مشکلات یکی یکی حل می شوند و راه رسیدن به صدای با کیفیت بسیار طولانی و پیچ در پیچ است. بیایید سعی کنیم از منظر فنی به اشتباهات و آتاویسم های اصلی بپردازیم

به طور متعارف، "مشکلات" را می توان به گروه های زیر تقسیم کرد:
1. اعوجاج سیگنال در تقویت کننده.
2. اتصال به بار.
3. تأثیر بارگذاری.
4. امپدانس تقویت کننده و عملکرد بلندگو.

انواع در گروه ها وجود دارد و آنها تفاوت های ظریف خاص خود را دارند، بنابراین گفتگو طولانی خواهد بود، خود را راحت کنید، بیایید شروع کنیم.

اعوجاج سیگنال در تقویت کننده

اعوجاج ها یا خطی هستند یا غیرخطی. اولین مورد صرفاً تغییر در طیف فرکانسی سیگنال بدون تحریف شکل آن است، یعنی افزایش یا کاهش پیش پا افتاده در برخی از باندهای فرکانسی. در واقع، حتی تغییر طیف، شکل سیگنال را تغییر می دهد، بنابراین تعریف کاملاً صحیح نیست. اعوجاج غیرخطی، ورود به سیگنال چیزی است که در ابتدا وجود نداشت، گسترش طیف آن. لازم نیست نگران اعوجاج های خطی باشید، هیچ مشکل خاصی در این مورد در تقویت کننده وجود ندارد، اما موارد غیر خطی مشکلاتی را ایجاد می کنند و به وضوح درک تصویر صدا را خراب می کنند.

انواع اعوجاج:
1. اعوجاج های غیرخطی.
2. محدودیت سطح.
3. Intermodulation.
4. سوئیچینگ.
5. پویا.
6. خود هیجانی.

اعوجاج غیر خطی

سیگنال صوتی از تقویت کننده عبور می کند، دامنه آن افزایش می یابد و تحریف می شود. هیچ چیز کامل نیست، سیگنال مفید مطمئناً حاوی چیزی است که در آن وجود ندارد - نویز، اعوجاج، تداخل منبع تغذیه و سایر مواد مضر که با درک کیفیت صدا تداخل دارند. با این حال - در حالی که در مورد خصوصی.

اعوجاج غیر خطی - افزایش طیف سیگنال اصلی با افزودن هارمونیک. اگر یک سیگنال سینوسی خالص با فرکانس F بگیریم، پس از عبور از تقویت کننده در طیف سیگنال، علاوه بر هارمونیک بنیادی F، مولفه های K * F وجود خواهد داشت که در آن K = 2، 3، 4، 5 وجود دارد. ..

عدم تقارن

از نظر ظاهری هارمونیک ها به زوج و فرد تقسیم می شوند. اولین ها زمانی ایجاد می شوند که سیگنال نامتقارن باشد. شایعات مداوم وجود دارد مبنی بر اینکه آنها کمتر از موارد عجیب و غریب قابل توجه هستند ... اما مواد راهنمایی قرن گذشته دستورالعمل های بسیار واضحی را ارائه می دهد - ابتدا با هارمونیک ها حتی به ضرر برخی از رشد هارمونیک ها مبارزه کنید. عدم تقارن در تمام عناصر مدار تقویت کننده ذاتی است، با این تفاوت که در مرحله خروجی چندان مهم نیست، بنابراین مشکل یکنواختی هارمونیک ها تا به امروز بسیار حاد وجود دارد.

این مقاله از شبیه سازی با استفاده از برنامه PSPICE استفاده خواهد کرد که قابلیت اطمینان محاسبات انجام شده را ثابت کرده است. مواردی وجود داشت که محاسبات در این برنامه نتایج "عجیب" به همراه داشت و تمایل به سرزنش خطاهای داخلی آن وجود داشت، اما پس از کشف همان نتایج "عجیب" در یک مدار لحیم کاری، شما ناخواسته با اعتماد و احترام به توسعه دهندگان آغشته شدید. از این شبیه ساز بنابراین، متاسفم، اما من این برنامه را باور دارم. اگر نظر دیگری دارید، متاسفم.

مگر اینکه غیر از این ذکر شود، منبع در همه مدارها یک موج سینوسی 1 کیلوهرتز، دامنه 1 ولت (پیک) خواهد بود.

بنابراین، اعوجاج غیر خطی. هنگامی که عدم تقارن سیگنال ظاهر می شود، حتی هارمونیک ها نیز ظاهر می شوند.

طرح شبیه سازی:

عدم تقارن در مدار با نصب دیود شاتکی حاصل می شود. جریان کنترل "A" توسط تقسیم کننده R3، R4 با کاهش سطح سیگنال به دامنه نزدیک به خروجی بررسی شده "B" به دست آمد.

همه نمودارها در این بخش، سبز – سیگنال شبیه سازی شده; قرمز - نمونه، با دامنه کمی کاهش یافته است.

شکل موج:

اگر در قسمت پایین خطوط قرمز و سبز تقریباً منطبق باشند ، در قسمت بالایی تأثیر دیود شروع به تأثیر می کند و سیگنال تحریف شده تا حد زیادی از نمونه پیشی می گیرد. یعنی نیم موج های مثبت (بالاتر از 0 ولت) و منفی یکسان نیستند، نشانه های واضحی از عدم تقارن وجود دارد.

طیف سیگنال مرجع (قرمز) تنها یک پیک در 1 کیلوهرتز دارد، قبل از مدار شبیه سازی شده (سبز) یک شانه شفاف با پیک های 1 کیلوهرتز، 2 کیلوهرتز، 3 کیلوهرتز، 4 کیلوهرتز وجود دارد.

بیایید کمی بیشتر توقف کنیم. اولین پیک در 1 کیلوهرتز تقریباً مشابه سیگنال مرجع است - هارمونیک اساسی در هر دو مورد با دامنه تقریباً یکسان. خوب از نظر بصری هم دیده می شود، از نظر ظاهری شبیه هم هستند... اگر ظرافت هایی را که منجر به طیف وسیعی از هارمونیک ها می شود کنار بگذارید. سیگنال مرجع فقط هارمونیک اول را دارد، اما مدار شبیه‌سازی‌شده فقط اولین هارمونیک را دارد (در واقع، طیف از ۱۰ کیلوهرتز فراتر می‌رود)، به این معنی که یک عنصر غیر خطی در مدار وجود دارد که طیف بزرگی از هارمونیک‌ها را تولید می‌کند. . اما این است، در مدار یک دیود نیمه هادی وجود دارد.

شاید از نحوه ارائه اطلاعات در برنامه گیج شده باشید. معمولاً هنگامی که یک طیف ارائه می شود، "نوار" با ارتفاع متغیر ترسیم می شود. برنامه PSPICE ولتاژها و جریان ها را در تمام گره های مدار برای کل مدت آزمایش محاسبه می کند، اغلب با وضوح زمانی متغیر. پس از آن، توالی زمانی با استفاده از روش FFT (تبدیل فوریه سریع) به دنباله فرکانس تبدیل می شود. هرچه گسستگی محاسبه نقاط در زمان کمتر باشد، دقت ترجمه به حوزه زمانی بیشتر و تحلیل صحیح تر است. هزینه برای این زمان اجرای شبیه ساز است.

از زمان انتشار این برنامه، رایانه ها سریعتر شده اند، اما اشتها نیز در حال رشد است، بنابراین شبیه سازی باید در دو مرحله انجام شود - ابتدا خیلی دقیق نیست، اما سریع است، سپس گسسته زمانی باید کاهش یابد تا بیشتر به دست آید. نتایج کافی به عنوان مثال، بیایید آزمایش را برای دقت عادی (نمودار آبی) و با حداکثر محدودیت گام در محور زمان (نمودار سبز) تکرار کنیم:

هر دو نمودار دارای معنای مشابهی هستند، اما نمودار زمان محاسبه طولانی تر (سبز) واضح است که دقیق تر است.

حال مدار یک مدار متقارن و غیر خطی:

برای شبیه‌سازی یک مدار غیر خطی، اما کاملاً متقارن، مدار از دو دیود شاتکی استفاده می‌کند - هر کدام یکی برای نیمه موج‌های مثبت و منفی.

شکل موج:

شکل موج ولتاژ در مدار شبیه سازی شده متقارن و تقریباً مشابه شکل موج مرجع است.

به آزمایش قبلی نگاه کنید - اگر اوج هایی در فرکانس های 1، 2، 3 ... 10 کیلوهرتز وجود داشت، اکنون هارمونیک حتی وجود ندارد.

محدودیت سطح

این نوع غیر خطی به دلیل نقض یکنواختی سیگنال ایجاد می شود. این موارد شامل دو مورد است:

• گام.
• اشباع.

اعوجاج نوع مرحله ای مشخصه تقویت کننده های کلاس B (یا AB) است - با کاهش سطح سیگنال، ضریب انتقال کاهش می یابد و سیگنال به سادگی ناپدید می شود. مکانیسم وقوع آن در نیمه دوم مقاله با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

اشباع - می تواند به دلیل محدودیت، در یک سطح سیگنال بسیار بالا، یا عملکرد حفاظت در تقویت کننده برای جریان یا قدرت ایجاد شود.

گام

این نوع اعوجاج در مدارهای کم بایاس مبتنی بر ترانزیستور تنظیم کننده رایج است، بنابراین می توان از یک جفت دیود سیلیکونی برای شبیه سازی استفاده کرد، 1N4148 کاملا مناسب است.

شکل موج:

لطفاً توجه داشته باشید که وقتی نمودار سبز از 0 ولت عبور می کند، برای مدتی سیگنالی عبور نمی کند. اگر یک تغییر سطح یکنواخت در نمودار قرمز (نمونه ای) وجود داشته باشد، ولتاژ در مدار شبیه سازی شده برابر با صفر می شود. هرچه سطح سیگنال کمتر باشد، این نوع اعوجاج بیشتر خود را نشان می دهد، تا زمانی که سیگنال مفید در خروجی ناپدید شود. بنابراین، تقویت کننده ها باید نه تنها در سطح سیگنال اسمی، بلکه در سطح بسیار کاهش یافته نیز بررسی شوند. در غیر این صورت، به راحتی می توان در دام این نوع اعوجاج افتاد - با کاهش سطح سیگنال، ضریب هارمونیک به طرز فاجعه باری رشد می کند.

اعوجاج متقارن است، بنابراین هیچ هارمونیک حتی در طیف وجود ندارد.

اشباع

حد اشباع یک مورد کاملاً معمولی، آنها می خواستند بلندتر باشند و "خس خس" گرفتند. اگر مدارهای کنترلی برش سطح "نرم" را ارائه دهند، نوع اعوجاج با تقویت کننده های بدون چنین حفاظتی متفاوت است. اما در حال حاضر، بیایید بدون وارد شدن به جزئیات، از خود مشکل عبور کنیم. برای شبیه سازی، همان جفت دیود 1N4148 مناسب است، اما در یک گنجاندن متفاوت.

شکل موج:

اگر در سطح سیگنال پایین هر دو نمودار منطبق باشند، پس رسیدن به ولتاژ 0.5 ولت با توقف در رشد نمودار سبز مشخص می شود، یعنی محدودیت سطح به دنبال دارد.

تصویر مشابه مورد "گام" است. با هر دو گزینه، هارمونیک ها ظاهر می شوند، فقط ماهیت ظاهر آنها تغییر می کند:

• برای یک "گام"، با کاهش سطح سیگنال، درجه اعوجاج سیگنال افزایش می یابد.
• "اشباع" الگوی مخالف دارد - در یک سطح سیگنال کم یا عادی، مدار اعوجاج ایجاد نمی کند و فقط در سطح بالا پدیده های منفی شروع به تأثیر می کنند.

نقص اشباع در همه تقویت کننده ها ذاتی است و با یک حالت "محدودیت نرم" یا یک گره کنترل بهره اضافی که در هنگام تشخیص سطوح سیگنال بیش از حد صدا را کاهش می دهد، با آن برخورد می شود.