Решение гармонических искажений в аудио усилителях
Гармонические искажения могут быть введены в аудиоусилители из многих источников. К счастью, уменьшение этого искажения связано с проверенной конструкторской практикой, и, если внимание будет уделено тщательному дизайну, полное гармоническое искажение может быть даже уменьшено до уровня ниже порога человеческого слуха.
В моей предыдущей статье о гармониках и THD в аудиосистемах я объяснил, что в мире аудиофилов есть субъективисты и рационалисты. Субъективисты - это люди, которые считают, что усилители должны иметь возможность формировать (т. Е. Искажать) звук, чтобы он казался лучшим. Рационалисты - это люди, которые считают, что аудиосистема должна точно воспроизводить оригинальную запись без добавления каких-либо искажений.
Я признал, что не могу разрешить дискуссию между субъективистами и рационалистами, но в качестве инженера я склоняюсь к рационалистам. Как инженеры, нам нравится тестировать, измерять и количественно оценивать аспекты систем и сигналов, но нет никакого измерения, которое бы подсвечивало наилучшее звучание. Тем не менее, мы можем количественно оценить аспекты аудиосистемы, которые изменяют характер входного сигнала, и эти вещи включают в себя полное гармоническое искажение (THD), задержку фазы, интермодуляционные искажения и шум.
С точки зрения рационалистов, поскольку мы можем объективно измерить эти вещи, мы можем использовать эти измерения, чтобы определить, какая аудиосистема наименее изменяет входной сигнал.
В этой статье я хочу сосредоточиться на полном гармоническом искажении и определить основные причины THD в классическом трехступенчатом аудиоусилителе (см. Рис. 1), и я также опишу, как можно уменьшить это THD.
Рисунок 1. Тяжелая упрощенная модель трехступенчатого усилителя мощности звука
Технические характеристики питания
Прежде чем перейти к особенностям THD в аудиоусилителях, давайте рассмотрим разницу между правилами / стандартами для энергосистем и правилами / стандартами для аудиосистем. Начнем с того, что стандарты в энергосистемах, вероятно, важнее, потому что THD, создаваемый силовыми системами и силовой электроникой, может повлиять на энергосистему и всех, подключенных к энергосистеме. THD, создаваемый аудиосистемами, в основном просто влияет на барабанные перепонки слушателей. В то же время, правила для энергосистем также легче определить, потому что есть только одна основная частота - линейная частота, с которой нужно измерять THD. Некоторые из стандартов THD и коэффициента мощности энергосистем и силовой электроники обсуждаются в других моих предыдущих статьях по THD в энергетических системах.
С другой стороны, аудиосистемы работают с диапазоном частот, диапазон аудио, который составляет около 20 Гц до 20 кГц. Поэтому, чтобы получить полное представление о THD, необходимо проверить несколько частот в этом диапазоне, и это означает, что один номер THD не отражает всю историю. Как правило, хотя один THD-номер используется, и он представляет THD на одной конкретной частоте, но это не означает, что THD на других частотах будет одинаковым. Человеческое восприятие еще более усложняет ситуацию. То, как люди воспринимают гармоники, также означает, что одно THD-считывание не полностью отражает эффект THD в восприятии, так как человеческий слух более чувствителен к некоторым частотам, чем к другим. Несмотря на эти трудности измерения, стандарты в аудиосистемах существуют, но такие, как правило усилителя FTC, просто описывают, какая информация должна быть указана (без указания руководства о том, как должны выполняться измерения), и такие, как сертификация THX, являются полностью добровольными.
Эти проблемы не означают, что измерения THD бесполезны или что нет смысла делать сравнения между устройствами. Это означает, что вам следует опасаться того, что на самом деле говорят вам характеристики усилителя. Например, эти три спецификации THD предназначены для аудиоусилителей, но сравнивать их невозможно:
- 0, 1% THD на частоте 1 кГц
- 0, 08% THD на 8 Ом динамиков
- 0, 15% THD + N на частоте 1 кГц при номинальной мощности в 8 Ом, полоса пропускания 22 кГц
Ни один из этих примеров не дает информации в формате для значимого сравнения, и первые два примера не дают достаточной информации вообще. Какова мощность, на которой они были протестированы, и какова пропускная способность, которая была протестирована »// www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt-6/class-b-audio-amplifier/" target = "_ blank" > искажение кроссовера), самый сложный источник искажений для устранения. Кроссоверное искажение, вероятно, является наиболее обсуждаемым источником THD в аудиосистемах по той причине, что его нелегко устранить. Искажение кроссовера происходит потому, что в усилителе класса B существует короткий период, когда оба выходных транзистора смещены. За это время выходной сигнал отсутствует. Ниже приведены примеры кроссоверных искажений усилителя класса B как во временной области, так и в частотной области. Совершенно очевидно, что выходной сигнал искажается от входного сигнала и что в этом сигнале имеются значительные гармоники.
Рисунок 2. Кроссоверное искажение во временной и частотной областях
Для получения дополнительной информации о количестве THD в таком сигнале, эта статья проходит процесс вычисления THD в сигнале с искажением кроссовера.
Правильные методы смещения могут значительно уменьшить (но не исключить) количество искажений кроссовера. Чтобы устранить кроссоверные искажения, необходимо включить усилители в режим класса AB. Простая системная модификация для смещения оснований выходных транзисторов с использованием диодов - простой способ уменьшить искажения кроссовера. На рисунке 3 показан базовый усилитель класса B с диодами между основами для смещения выходных транзисторов ближе к их точке включения. Этот метод смещения предполагает, что напряжение прямого смещения двух диодов несколько ниже, чем напряжение включения базового излучателя двух транзисторов. Если прямое смещение диодов было выше, чем напряжение включения базового излучателя, этот усилитель больше не будет классом B, это будет класс AB. Этот метод не является единственным методом смещения, который можно использовать. Другими распространенными методами являются использование диодов BJT и резиновых диодов.
Рисунок 3. Включение выходных транзисторов с диодами для уменьшения кроссоверных искажений
Результатом этого смещения является то, что искажения кроссовера значительно уменьшены, как можно видеть на рисунках 4 и 5. Изображение осциллографа слева от рисунка 4 сравнивает входной сигнал (желтый) с выходом (синий), а изображение на справа показывает небольшое количество искажений в точке пересечения нуля.
Рисунок 4. Просмотр временной области уменьшенного искажения кроссовера
Рисунок 5. Просмотр частотной области уменьшенного искажения кроссовера
Хотя это смещение не устраняет искажения кроссовера, оно, безусловно, уменьшается. Это достаточно мало? Ну, это зависит от того, что вы ищете в системе и с какой THD вы можете справиться. Этот уровень THD, вероятно, заметен, но повлияет ли это на ваш опыт прослушивания? И если это повлияет на ваш опыт прослушивания, платите ли вы больше за систему с более низким THD? Хотя измерения THD, конечно, не являются субъективными, в конце концов, ваш выбор аудиосистемы является субъективным, даже если вы не субъективист.
Заключительные слова
В этой статье рассмотрены гармонические искажения в системах звукового усилителя на основе классической трехступенчатой конфигурации (см. Рис. 1). Большинство источников искажения могут быть уменьшены ниже ощутимых уровней с помощью тщательной разработки. Даже выходное искажение может быть значительно уменьшено, и если вы готовы заплатить за это, его можно даже снизить ниже уровня восприятия.
Справка
(1) D. Руководство по проектированию усилителя звука, аудио, 4-е изд. Newnes, 2006.