Фазовые искажения звука что это
Фазовые искажения в усилителях мощности и борьба с ними
Механизм возникновения нелинейных искажений во всех узлах УМЗЧ достаточно полно изложен в книге популярного разработчика Дугласа Селфа [1]. В книге не только поставлен диагноз “болезней” отдельных узлов, но и расписаны многообразные методы их “лечения”.
Автор упомянул там о тепловых искажениях, но лишь только для того, чтобы развеять миф об их значимости, считая, что тепловые изменения в транзисторах происходят достаточно медленно, и с ними легко справляется общая отрицательная обратная связь (ОООС).
Однако фазовые искажения и механизм их возникновения автор вообще обошел стороной, как будто их и не существует. На самом деле именно фазовые искажения, которые не улавливаются обычными методами измерений, и приводят к различию в звучании усилителей с одинаковыми параметрами, но выполненных по различным схемам.
Пожалуй, только А.Лихницкий [2] попытался заострить внимание на этой проблеме, обнаружив с помощью детонометра в выходных сигналах различных усилителей искажения в виде “детонации” (до 0,6% и более), подавая комбинированный сигнал с частотами 20 Гц и 3150 Гц в соотношении 4:1. Достаточно сказать, что порог чувствительности слуха к “детонации” — около 0,06%.
Однако А.Лихницкий констатировал только сам факт “болезни”, т.е. поставил диагноз, а как ее лечить — ответа не дал. Для обеспечения устойчивой работы УМЗЧ используются разные методы коррекции АЧХ, чтобы обеспечить возле частоты единичного усиления наклон АЧХ 6 дБ/окт и определенный запас по фазе (обычно в пределах 10…30°).
Например, Дуглас Селф считает, что не важно, какую полосу имеет исходный, не охваченный ООС усилитель звука, а важно, чтобы на частоте 20 кГц был достаточный запас усиления (не менее 30 дБ). При этом ничего не упоминается о фазе сигнала. А ведь усилители, имеющие одинаковые выходные каскады (основные источники искажений) и одинаковый запас по усилению на частоте 20 кГц, могут иметь отличия в уровнях искажений на этой частоте в 10 и более раз, хотя на частоте 1 кГц искажения у них равны.
И связано это, в первую очередь, с фазовой характеристикой, которая, в свою очередь, связана с коррекцией АЧХ. Подавляющее большинство УМЗЧ скорректировано с помощью конденсаторов, включенных между входом и выходом усилителя напряжения (УН), т.е. между базой (затвором) и коллектором (стоком) транзистора, работающего в УН.
При разомкнутой петле ООС полоса воспроизводимых частот различных УМЗЧ колеблется от сотен герц до десятков килогерц (у многих операционных усилителей, построенных по аналогичной схемотехнике, полоса без ООС ограничивается вообще на частоте 10 Гц). Эта полоса, к тому же, очень сильно зависит от нагрузки УН.
С уменьшением сопротивления нагрузки снижается общий коэффициент усиления в полосе пропускания, соответственно, уменьшается емкость Миллера, и полоса пропускания автоматически расширяется, но с соответствующими фазовыми сдвигами (напомню, что на частоте среза фильтра первого порядка поворот фазы равен 45°).
У УМЗЧ с низкой частотой первого полюса, например, 1 кГц. “фазовые дрожания” при изменении нагрузки будут проявляться, начиная с частоты в несколько раз ниже, и простираться до 20 кГц и выше, а это — область наибольшей чувствительности слуха. Отсюда понятно, почему в более выгодном положении оказываются усилители с хорошей нагрузочной способностью ВК, например, “тройка” Дарлингтона, ее аналоги или схема Шиклаи, да еще со спаренными выходными транзисторами.
Для тех, кому не нравится “тройка” Дарлингтона, в [1] есть очень удачный пример стабилизации нагрузки УН с помощью эмиттерного повторителя с генератором тока (20…30 мА) в цепи эмиттера. Такой вариант (рис.1), на мой взгляд, даже предпочтительнее “тройки” и годится как для несимметричных, так и для “зеркальных” схем. Проведем исследования популярной схемы усилителя Ланзар.
Такого рода исследования затруднительно провести на реальном усилителе, так как любое подключение измерительных приборов на вход УН приведет к изменению его характеристик. Но это безболезненно можно сделать с помощью современных средств моделирования. Для упрощения схемы возьмем вариант без генераторов тока в дифференциальном каскаде, а для повышения нагрузочной способности спарим выходные транзисторы (рис.2).
Сразу оговорюсь, что для выявления фазовых искажений, связанных с нагревом транзисторов, усилитель моделировался при изменении коэффициента передачи тока транзисторов до 80% (по данным [2] — достаточно 50%), но такого существенного влияния на характеристики, как при изменении нагрузки ВК, обнаружено не было.
Поэтому для упрощения эксперимента ограничимся изменением только сопротивления нагрузки в пределах от 8 до 1 Ом и будем наблюдать АЧХ и ФЧХ на входе УН и на выходе усилителя.
Для начала снимем характеристики УМЗЧ с разомкнутой цепью ООС (рис.3). Конденсатор фильтра НЧ С7 (рис.2) отключаем, правый по схеме вывод резистора R12 отсоединяем от выхода и подключаем к общему проводу.
Из рис.3 видно, что максимальное усиление УМЗЧ составляет 79 дБ с девиацией 10 дБ (5 раз) при изменении нагрузки. При этом полоса пропускания изменяется с 2 кГц до 10 кГц (также в 5 раз). Усиление на частоте 20 кГц — 64 дБ. Усиление дифференциального каскада (ДК) составляет 10 дБ. Таким образом, усиление УН около 70 дБ (79-10=69), т.е 3000 раз. При этом емкость Миллера определяется из выражения: См =(Ск+Сбк)*Ku =(33 + 2)-3000 = 105000 (пФ) = 0,105 (мкФ).
Эта емкость, будучи подключенной параллельно нагрузке ДК (R3 и параллельно ему входное сопротивление УН), определяет частоту первого полюса:
“Дрожание амплитуды” на входе УН зависит от частоты и колеблется от 2 дБ на низких и средних частотах до 8 дБ на частоте 20 кГц. “Дрожание фазы” сигнала в обеих контролируемых точках начинается уже с нескольких сотен герц и достигает максимума (до 25°) на частотах 2…20 кГц — в области наибольшей чувствительности слуха.
Теперь посмотрим, как ведет себя схема с замкнутой ООС (рис.4). Из этого рисунка видно, что коэффициент усиления УМЗЧ в данном случае — 29 дБ при полосе пропускания 1,5 МГц. Глубина ООС на частоте 1 кГц — 79-29=50 (дБ), а на частоте 20 кГц—64-29=35 (дБ). Коэффициент нелинейных искажений (Кни) при амлитудном значении выходного напряжения (30 В) на частоте 1 кГц — 0,01 %, а на частоте 20 кГц — 0,04%. что является хорошим показателем качества.
Фазовая характеристика всего усилителя линейна практически до 20 кГц, но на входе УН “дрожание фазы” осталось практически на прежнем уровне, а “дрожание амплитуды” значительно возросло во всем диапазоне звуковых частот (на частоте 20 кГц —15 дБ, что очень много). Мне могут возразить, что на выходе-то все в порядке. Но дело в том, что на реальном сигнале, далеком от синусоиды, совместное “дрожание” амплитуды и фазы может приводить к искажениям огибающей сигналов.
Доработаем наш экспериментальный усилитель, добавив буферный каскад в соответствии с рис. 1. Параллельно входу эмиттерного повторителя включим резистор R30 такой величины (рис.5), чтобы сохранить усиление, а соответственно, и частоту первого полюса, как в исходном усилителе (79 дБ и 2 кГц). Тогда по глубине ООС усилители будут в равных условиях. Снова снимем характеристики: на рис.6—АЧХ и ФЧХ усилителя с разомкнутой цепью ООС. на рис.7 — с замкнутой.
Как видно из рисунков, “дрожания” амплитуды и фазы существенно снизились. Проверим искажения усилителя. Оказывается, и искажения при той же глубине ООС снизились, на частоте 1 кГц — до 0,002% (в 5 раз!), а на частоте 20 кГц — до 0,02% (в 2 раза). Так как глубина ООС на частоте 20 кГц на 15 дБ (в 5 раз) меньше (50-35=15 дБ), то теоретически искажения на частоте 20 Гц должны быть в 5 раз больше, чем на частоте 1 кГц и составлять 0,01%.
Присмотримся к графику фазовой характеристики на входе УН (на выходе ДК) при замкнутой цепи ООС (рис.7). Мы видим отклонение фазы на частоте 20 кГц до 8°. Предположим, это является причиной повышенных искажений по сравнению с расчетным значением и попытаемся выровнять фазу с помощью несложного приема из [1].
Усложним цепь коррекции, добавив еще одну RC-цепочку R31-C7 (рис.8) Она уменьшает ООС до частоты f=1/2πRC=700 (кГц) с одновременным вращением фазы. Емкость дополнительного конденсатора (С7) рекомендуется выбирать в 3…5 раз больше основного. Проверим изменение характеристик усилителя после доработки (рис.9). Как видно, протяженность линейного участка фазовой характеристики на входе УН протянулась выше 100 кГц
(расширилась более чем в 10 раз!) и, что немаловажно, увеличился запас по фазе. Искажения на частоте 20 кГц снизились до 0.005%. причем в спектре частот наблюдается преимущественно 3-я гармоника, поскольку сказывается большая амплитуда сигнала, близкая к ограничению.
Вот теперь можно собирать действующий макет усилителя или дорабатывать имеющиися аналог и слушать.
Подведем итоги:
Фазовые искажения звука что это
Валерий Папченко, доцент кафедры звукорежиссуры Киевского национального университета культуры и искусств
Фленджер-эффект звукорежиссеры знают и любят издавна. Именно он рождает тот самый качающийся, сверлящий и эфемерный звук, который присутствует в бесчисленном множестве знаковых психоделических записей 60-70-х – увлеченные звукорежиссеры иногда весь микспропускали через фленджер…
Примеров тут множество – от незабвенных TheBeatles с их «Magical MysteryTour» до экстремальной «Life In The Fast Lane» TheEagles (перед дальнейшим чтением рекомендую послушать: www.emp3world.com, с метки 3:38). И этот гениальный эффект активно используется звукорежиссерами и поныне. Основан он на сдвиге сигналов по фазе. Но всегда ли сдвиг по фазе рождает полезные эффекты?
Как гласит одна из легенд, эффект фленджера был обнаружен Джоном Ленноном во время микширования на студии Abbey Road, когда он случайно (или преднамеренно?) притормозил пальцем бобину легендарного ленточного магнитофона Studer C37, воспроизводившего в паре с другим магнитофоном очередной бессмертный опус Битлов. И тут (о чудо!) возник ранее не слышимый эффект: звук гитары Леннона переливался, плавал и просто пронизывал слушателя в трех плоскостях. Естественно, всё тогда воспринялось как баловство. Но неугомонный Джеф Эмерик, в те годы – звукоинженер студии Abbey Road, обладавший особенностью анализировать всё, что происходило в студии (за что, собственно, его и ценил Джордж Мартин, продюсер Битлз), после той веселой сессии исследовал физическую сущность случайно полученного эффекта. Вскоре он соорудил первый в мире электромеханический фленджер из двух магнитофонов, который Леннон завороженно слушал. Сегодня этот эффект новичок получает простым выбором пресета в цифровом эффект-процессоре…
Эффект фленджинга базируется на умышленно созданном фазовом сдвиге между двумя идентичными звуковыми сигналами, и тут этот сдвиг выступает в «хорошей» ипостаси. Но чаще фазовые сдвиги мешают звукорежиссерам спокойно жить. Например, при неверной установке микрофонов (или их расфазировке), мы получаем абсолютно не нужные фазовые провалы на концертах и в записях. Диапазон звучания в этом случае – от мягкого приятного окрашивания до жесткого «продырявленного» и искаженного до неузнаваемости тембра. Это – типичный результат плохо подготовленной многомикрофонной записи и формирование отражений звука от близко расположенных поверхностей.
Настоящая статья посвящена технике позиционирования микрофонов и поиску решений, позволяющих минимизировать или обойти акустический сдвиг фаз. Но сначала рассмотрим основные принципы и терминологию всего того, что касается такого широкого понятия, как «фаза».
К чему приводят фазовые сдвиги?
Вот как о фазе говорит учебник всех звукорежиссеров – книга Алека Нисбета «Звуковая студия» (М., Связь, 1979, с.457): «Фаза – это величина, характеризующая состояние какого либо (волнового – прим.авт) процесса в каждый момент времени». Фазовый сдвиг обязан сдвигам по времени (например, в пределах одного периода) между двумя идентичными волнами (колебаниями). Фаза измеряется в угловых единицах – градусах или долях периода. Когда этот сдвиг равен 180 градусам (в этом случае говорят, что колебания противофазны друг к другу, т.е. первая волна достигает своего максимума, а вторая – минимума), эти колебания взаимно компенсируют друг друга. В случае с электрическими сигналами, при равенстве амплитуд противофазных сигналов мы получим их полную компенсацию. И наоборот, в случае полного совпадения колебаний по времени (0 град., 360 град., и т.д.) мы получаем сложение колебаний.
Это явление называют фазовым вычитаниями и сложениями.
Известно, что реальные музыкальные звуки представляют собой сложные колебания, достаточно далекие от синусоидальных (разве что за исключением флейты, форма колебаний которой близка к синусоидальной, и то с некоторой натяжкой). Такие сложные колебания можно представить в виде набора простых синусоид. Когда два сложных колебания имеют фазовый сдвиг между собой, то при их сложении полной компенсации не происходит. Происходит более неприятная вещь – некоторые частоты в спектре вычитаются, а некоторые суммируются, все зависит от величины пресловутого фазового сдвига. В результате формируется так называемый гребенчатый фильтр (его характеристика действительно похожа на гребешок), который безжалостно «расчесывает» тембр вашей записи.
Ясно, что все это приводит к радикальному изменению спектра звучания. Чаще всего данная ситуация возникает при неточном позиционировании микрофонов (двух и более) относительно источника звука. Распространенный пример: в студии вы поставили свою лучшую стереопару на отлично звучащую акустическую гитару, но придя в аппаратную, не узнаете ее тембра! Вы грешите на микрофоны, на мониторы, наконец на усталость после вчерашней затянувшейся за полночь сессии… На самом деле вы всего лишь столкнулись с фазовыми выпадениями (старые звукорежиссеры в таких случаях говорили «наловили противофазы»).
Причина фазовых проблем кроется в различных расстояниях между источником звука и микрофонами и, соответственно различном времени прихода звуковой волны к ним. Аналогичная ситуация возникает даже с одним микрофоном, когда волна от одного источника приходит к микрофону двумя путями – прямо и от отражающей поверхности. В этом случае прямой сигнал от источника складывается либо вычитается с задержанным (т.е. отраженным), и вы снова получаете фазовые проблемы (отметим, что это в меньшей мере касается диффузных отражений).
Проверить вашу микрофонную систему на предмет фазовых вычитаний достаточно просто: нужно просто суммировать звук в моно и послушать. Если в тембре инструментов замечена некая странность – так и есть, вы «наловили противофаз». Для суммирования в моно нужно нажать соответствующую кнопку на микшерном пульте, а если таковой не имеется, просто свести в центр регуляторы панорамы проверяемых микрофонов. Коррекция фазовых проблем обычно сводится к перестановке микрофонов, и часто это помогает, но если это не срабатывает – есть другие, более радикальные методы. Теперь, когда у нас есть понимание сути проблемы, рассмотрим стандартные ситуации, где могут возникнуть фазовые аномалии.
Проблемы многомикрофонных систем
Предположим, вы записываете певца, одновременно аккомпанирующего себе на акустической гитаре (барда), и вы пишете его с помощью двух микрофонов: один – на голос, другой – на гитару. При прослушивании в студии вы замечаете, что певец звучит неестественно – так, как будто в канале голоса экстремально настроили эквалайзер, но панорамирование микрофонов в крайнее левое и правое положение устраняет проблему. Очевидно, что налицо фазовые проблемы. А произошло вот что: гитарный микрофон, кроме гитары, в большой степени воспринимает и голос певца, но с некоторой задержкой.
Два пути вокала в миксе – прямой и задержанный, складываясь, интерферируют друг с другом, что и приводит к «дырявому» тембру голоса. Более того, то же самое происходит со звуком гитары, дополнительно усугубляя проблему. Неопытные начинают судорожно работать эквалайзером, но это только ведет к дальнейшему обострению ситуации… Что же делать? Для начала…
Соблюдаем правило 3:1
Во избежание фазовых проблем достаточно выполнять простое правило, касающееся установки микрофонов. Звукорежиссеры называют его «Правилом 3:1». Оно гласит, что расстояние между двумя микрофонами должно быть как минимум в три раза больше, чем расстояние от микрофона до снимаемого им источника звука.
В противном случае мы получим искажающий звучание гребенчатый фильтр (правая часть рисунка). Правило это было выведено давно благодаря исследованиям специалистов компании Electro-Voice Лу Бэроугза и Тома Линингера. Они доказали, что суммирование сигнала с его задержанной копией приводит к выпадениям спектра, но когда задержанный сигнал на 9 дБ слабее прямого, то пики и провалы в итоговой АЧХ будут иметь величину менее 1 дБ, т.е. становятся практически неслышимы. Чем выше соотношение в данном правиле, тем меньшие фазовые проблемы мы получаем.
Исключения из правил
Есть ситуации, когда правило «3:1» не работает, например, когда каждый из двух микрофонов формирует лишь часть общего звучания музыкального инструмента. Все мы знакомы с ситуацией, когда один микрофон снимает звучание верхнего пластика малого барабана, а другой микрофон – нижнего. Такой подход обычно не вызывает фазовых искажений в силу значительной разницы в тембрах звучания верхнего и нижнего пластиков. Но тут может возникнуть другая фазовая проблема: не следует забывать, что на микрофоны над барабаном и под ним звуки верхнего и нижнего пластиков приходят в противофазе (по крайней мере, на НЧ). Поэтому при таком озвучивании барабана двумя микрофонами следует перевернуть фазу сигнала нижнего микрофона. Вторая проблема озвучивания малого барабана – кроме ближнего точечного микрофона он прекрасно воспринимается общими (overhead) микрофонами ударной установки. И снова получаем два тракта – задержанный и прямой.
Но, главное правило звукорежиссуры гласит: «Ваши уши – ваш главный судья». Поэтому стоит послушать звучание малого барабана и, может быть… оставить нижний микрофон синфазным, а перевернуть по фазе как раз оверхеды! Отмечу, что противофазный метод озвучивания музыкальных инструментов, имеющих диаграмму излучения типа «восьмерка» (барабаны, некоторые виды губных гармошек и др.) интересен и недостаточно исследован.
Курица – не птица, стерео – не моно…
Если вы проверяете пару микрофонов на фазовую совместимость суммированием в моно их сигнала и прослушивая результат на студийных мониторах, помните, что акустика вашей студии тоже может вносить определенные фазовые искажения. Такой метод контроля может подвести, когда у вас есть небольшая, но все же нежелательная противофаза. Поэтому лучший метод проверки фазности – на наушниках.
Также стоит учесть, что некоторые сигнал-процессоры, такие как ревербераторы и дилеи, могут формировать свои пресеты на противофазных алгоритмах. Не следует забывать, что большинство из них имеют ручку mix (или dry/wet), отвечающую за подмешивание обработанного сигнала к исходному. Цифровые приборы имеют собственную задержку (латентность) между входом и выходом, поэтому при подключении такого прибора к микшерному пульту стоит держать ручку mix в положении 100%, иначе могут возникнуть сложные многотрактовые взаимодействия, приводящие к электрическим сдвигам фаз.
Еще один источник таких проблем – дополнительный «разгон» (кроме посыла в главную L-R шину) сигналов через подгруппы пульта. Абсолютно ли вы уверены в идентичности фазовых характеристик всех линеек вашего микшера?
Ближние отражения – друг или враг?
Фазовые выпадения могут иметь место даже при использовании одного микрофона, когда он расположен близко к твердой отражающей поверхности (пол, каменные стены, пюпитры). Да-да, сплошные металлические пюпитры при неверном угле установки могут формировать мощное отражение, искажающее голос вокалиста!
Помните, что звуковая волна отражается подобно световой – угол падения равен углу отражения. Поэтому устанавливайте пюпитр вокалиста почти вертикально (чтобы отраженная волна уходила мимо микрофона), либо размещайте на пюпитре звукопоглотители. Еще лучше использовать акустически прозрачные «дырявые» пюпитры.
Примеров ситуаций с вредными отражениями бесчисленное множество: overhead-микрофоны ударной установки находятся близко к потолку зала небольшого клуба, микрофоны рояля – близко к его открытой крышке, микрофоны для записи спектаклей – на некотором расстоянии от поверхности сцены… Все перечисленные проблемы решаются двумя методами: «беги от отражающей поверхности, или… слейся с ней».
Для рояля – располагаем микрофоны поближе к крышке, для спектаклей – используем PZM-микрофоны по рампе, а в небольшом клубе можно вообще отказаться от оверхедов – «железо» ударной установки в малых клубах всегда неуправляемо!
Еще один характерный пример фазовых выпадений – съем звучания гитарного кабинета. Тут тоже формируются мощные ближние отражения, в частности от пола.
Но их роль в формировании гитарного тембра далеко не однозначна. Да, отраженная звуковая волна в сумме с прямой формирует мощный гребенчатый фильтр, резко меняющий звук гитарного кабинета. Но давайте вспомним, где чаще всего используется flange-эффект? Правильно, на электрогитарах! Сегодня звучание электрогитары подвергается радикальным коррекциям эквалайзерами, а тысячи гитаристов по всему миру ищут свой неповторимый и оригинальный звук. Поэтому нормой озвучивания гитарного кабинета стала многомикрофонная система – один поближе, другой – подальше…
Всегда помните: главный принцип расположения микрофонов – это слушать их. Если вам нравится то, что вы слышите из студийных мониторов – не трогайте микрофоны, просто запишите их звук. Если же нет – придется еще раз прогуляться в тон-ателье студии или на сцену концертного зала.
Фазовые искажения звука что это
Усилители Music Angel
XD500MKIII XD800MKIII XD845MKIII XD845LE XD850MKIII XD8502AIII XD900MKIII T24 фонокорректорЛамповый усилитель XD500MKIII: EL34, 2х50 Вт Ламповый усилитель XD800MKIII: KT88, 2х65 Вт Ламповый усилитель XD845MKIII: 845, 2х20 Вт Ламповый усилитель XD850MKIII: 300B, 2х9 Вт Ламповый усилитель XD8502AIII: 300B, 2х9 Вт Предварительный ламповый усилитель XD900MKIII: 12AU7, 12AX7
MINI 6 MINI 5.1 MINIP1 MINIL3 MINIP14Ламповый усилитель MINI 6: KT88, 2х60 Вт Ламповый усилитель MINIP1: 6AQ5, 2х10 Вт Ламповый усилитель MINIL3: EL34, 2х35 Вт Ламповый усилитель MINIP14: 6P14, 2х10 Вт
AZUR H2 HA-02 HA-03B HA-03B2 HA-03M Lunch Box ProЛамповые усилители LACONIC HA-02,03B/B2/M: 6N6P, 2х1,2 Вт на 300 Ом
Music Angel One Music Angel 2.5 Music Angel TK-10 DIVA 5.2Частотные, нелинейные и фазовые искажения
В оценке качества работы радиоприемника решающую роль играют искажения, которые имеют место при воспроизведении радиопередач. Эти искажения могут сделать передачу неприятной или же настолько исказить ее тембр, что голос исполнителя или звучание музыкального инструмента лишатся характерных для них звуковых оттенков. При приеме телевизионных передач к этим искажениям добавляются еще различные искажения изображения на экране кинескопа.
Следует различать три вида искажений: нелинейные, частотные и фазовые. Рассмотрим причины возникновения и сущность различных видов искажений.
Нелинейные искажения. Искажения этого вида являются следствием нелинейных процессов (т. е. таких процессов, когда между током и создающим его напряжением нет прямой пропорциональности) в элементах радиоприемника. В электрической цепи, содержащей, например, активное сопротивление, ток прямо пропорционален напряжению. Графически такая зависимость выражается прямой линией, отсюда и название «линейная система», «линейный процесс». В ряде элементов радиоприемника это условие не выполняется — они являются нелинейными системами. В первую очередь это относится к усилительным лампам.
На управляющую сетку усилительной лампы подаются усиливаемые колебания, вызывающие соответствующие изменения анодного тока. Анодный ток, проходя по нагрузке, создает на ней напряжение, форма которого подобна форме подводимого сигнала, но превосходит его по величине. Для неискаженного усиления необходимо, чтобы анодный ток изменялся точно так же, как и напряжение на управляющей сетке лампы, т. е. был прямо пропорционален ему. Но зависимость анодного тока лампы от напряжения, подводимого к ее управляющей сетке, лишь на некотором, сравнительно небольшом, участке приближается к линейной. При работе лампы в усилителе используется именно этот прямолинейный участок характеристики; часто его называют рабочим участком.
Рис. 1. Усиление синусоидального напряжения: а — неискаженное усиление; б — искажения, вызываемые нелинейностью ламповой характеристики
Чем меньше напряжение сигнала на сетке лампы, тем меньше захватываемый им участок характеристики, а следовательно, тем меньше и отклонение последнего от прямой линии. Работа на небольшом участке характеристики типична для усилителей напряжения, т. е. для каскадов усиления ВЧ и ПЧ, а также для предварительных усилителей НЧ. При больших амплитудах усиливаемого напряжения работа происходит на большом участке характеристики, где уже начинает сказываться ее кривизна. Такие условия имеют место в оконечных каскадах, где нелинейные искажения могут быть весьма значительными.
Рассматривая процесс возникновения нелинейных искажений, для простоты рассуждений будем считать, что усиливаемое колебание является чисто синусоидальным. На рис. 1а показаны усиливаемое и усиленное напряжения. Последнее имеет такую же форму, как и первое, но значительно превышает его по амплитуде. На рис. 1,б показано, что произойдет в действительности при большой амплитуде усиливаемого сигнала, когда последний выходит за пределы прямолинейного участка характеристики ламоы. В этом случае форма анодного тока уже несинусоидальна, кривая исказилась и стала несимметричной — во время положительных полупериодов амплитуда больше, чем во время отрицательных.
Математический анализ кривых, изображающих периодические колебания сложной формы, показывает, что искажение формы простого синусоидального колебания объясняется тем, что к нему добавляются колебания с частотами, кратными основной, так называемые гармонические колебания, или гармоники. Частота гармоник в целое число раз больше частоты основного колебания. Номер гармоники показывает величину этого целого числа. Например, частота второй гармоники в два раза больше основной частоты, третьей — в три раза больше и т. д. Основное колебание называют иногда первой гармоникой.
Рис. 2. Нелинейные искажения, возникающие вследствие появления второй (а) и третьей (б) гармоник: 1 — колебания основной частоты; 2 — вторая гармоника; 3 — результирующая кривая; 4 — третья гармоника
Состав несинусоидального колебания, т. е. номера входящих в него гармоник и относительная величина их амплитуд, зависит от формы искаженного колебания. Так, например, если синусоида искажена так, как показано на рис. 1, б (амплитуда верхнего полупериода больше амплитуды нижнего), то это значит, что к основному колебанию добавилась вторая гармоника (рис. 2, а). Если вершины синусоиды после усиления оказались сплюснутыми, то это показывает, что появилась третья гармоника (рис. 2, б), и т. д.
Из рассмотренного примера следует, что чистая синусоида является графическим изображением чистого тона определенной высоты; высота тона определяется частотой колебаний. Искажения в синусоиде свидетельствуют о том, что в процессе усиления возникли новые колебания, примешивающиеся к основному тону. Эти колебания создают звуки, которых не было в составе передаваемого сигнала, что, естественно, вызывает искажение звука. На слух такие искажения ощущаются различно: они проявляются в виде хрипов, дребезжания, вызывают неразборчивость речи и другие неприятные явления.
Мы рассмотрели искажения, могущие возникнуть при усилении синусоидального напряжения. Если усиливаемое напряжение представляет собой сложное колебание, состоящее из суммы простых синусоидальных, то все сказанное о нелинейных искажениях распространяется на каждую из этих составляющих синусоид. Все они подвергнутся искажениям, и суммарное сложное колебание будет искажено соответствующим образом.
Главной причиной возникновения нелинейных искажений при усилении является нелинейность характеристик ламп. Другой причиной искажений может явиться междуламповый или выходной трансформатор: если пластины его сердечника изготовлены из стали низкого качества (кривая намагничивания криволинейна) или же объем сердечника мал (наблюдается магнитное насыщение), то пропорциональность между анодным током лампы и напряжением на обмотках трансформатора нарушается и возникают искажения такого же характера, как рассмотренные выше. Поэтому правильно сконструированные усилители на сопротивлениях обычно вносят меньшие нелинейные искажения, чем усилители на трансформаторах.
Большие нелинейные искажения может также вызвать ток в цепи управляющей сетки лампы, возникающий в том случае, если амплитуда подводимого переменного напряжения превышает напряжение смещения. Он появляется в течение части положительного полупериода напряжения на сетке и в эти моменты создает дополнительную нагрузку для предыдущего каскада, в результате чего усиление его уменьшается и форма напряжения на выходе этого каскада искажается. От этих искажений можно легко избавиться, выбрав правильно отрицательное смещение на сетках ламп.
Для суждения о величине искажений пользуются так называемым коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник, который выражает относительное содержание гармоник в усиленном токе или напряжении. Количественно коэффициент гармоник у выражается как отношение квадратного корня из суммы квадратов токов (или напряжений) всех гармоник к току (или напряжению) основной частоты
где А — амплитуда токов или напряжений, соответствующих гармоник, номер которых указан в виде индекса.
Если коэффициент нелинейных искажений не превышает 3—5%, то мы практически не замечаем искажений; большие величины γ уже чувствуются, а при γ превышающем 12—15%, передача становится неприятной на слух.
Прибор для измерения нелинейных искажений позволяет отделить гармоники от основного тона и измерить соотношение между ними и последним. Точные лабораторные приборы (например, типов ИНИ-б и ИНИ-10), предназначенные для этой цели, довольно сложны. Простой прибор для измерения нелинейных искажений был описан в журнале «Радио» № 10 за 1954 год. Схема соединения приборов при измерении нелинейных искажений показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема соединения приборов при измерении нелинейных искажений
Частотные искажения. Частотные искажения вызываются тем, что колебания различных частот при известных условиях усиливаются неодинаково. В усилителе НЧ это объясняется тем, что нагрузкой для ламп являются не только активные сопротивления, но и емкости (междуэлектродные емкости ламп, емкость монтажа, емкость разделительного конденсатора и др.), а иногда и индуктивности (дроссель, трансформатор), сопротивление которых на разных частотах различно. А поскольку усиление каскада с данной лампой зависит от величины сопротивления ее анодной нагрузки, то и усиление в этом случае оказывается различным на разных частотах. В усилителях на сопротивлениях обычно лучше всего усиливаются колебания средних частот звукового диапазона, примерно от 200 до 3 000 Гц. На более низких и более высоких частотах усиление уменьшается. В результате этого соотношение между амплитудами колебаний различных частот на выходе усилителя не соответствует. соотношению между амплитудами колебаний этих частот, подводимых к его входу, и характер звучания искажается.
Рис. 4, Искажение формы сложного колебания вследствие частотных искажений
Вследствие относительного ослабления колебаний верхних частот по сравнению со средними пропадают те характерные колебания в составе звука, которые придают ему определенную звуковую окраску, те особенности, которые отличают звучание различных музыкальных инструментов или разных голосов, т. е. тембр передачи искажается.
Рис. 5. Примерная частотная характеристика усилителя, низкой частоты
Ослабление колебаний нижних звуковых частот лишает звук сочности, придает ему звенящий, неестественный, металлический тембр. Точно так же чрезмерное усиление одних частот по сравнению с другими влечет за собой искажения.
Явления, происходящие вследствие частотных искажений, можно наглядно изобразить графически. Предположим, что усиливается сложное звуковое колебание, содержащее, помимо синусоидального колебания основной частоты, также вторую и третью гармоники. При этом амплитуда второй гармоники вдвое, а третьей — втрое меньше амплитуды основного тона. Форма такого сложного колебания и его составляющих изображена на рис. 4, а (в каждый момент времени ордината сложной кривой представляет собой сумму ординат всех трех составляющих кривых). Предположим теперь, что на более высоких частотах коэффициент усиления усилителя вдвое меньше, чем на основной частоте. Тогда на выходе усилителя амплитуды колебаний второй и третьей гармоник относительно амплитуды колебаний основной частоты будут вдвое меньше, чем в усиливаемом сигнале (рис. 4, б). В результате этого форма сложного колебания на выходе усилителя будет сильно отличаться от формы сигнала на его входе.
Следовательно, при частотных искажениях, как и при нелинейных, изменяется форма сигнала. Но если во втором случае искажение формы кривой объясняется появлением в процессе усиления новых колебаний, которых не было в составе основного сигнала, то в первом случае новые колебания не появляются, а искажение формы кривой объясняется только изменением соотношения между амплитудами колебаний разных частот, входящих в состав усиливаемого сложного колебания.
Чтобы иметь возможность судить о частотных искажениях, снимают частотную характеристику усилителя, которая изображает зависимость коэффициента усиления от частоты. Для этого от звукового генератора подают на вход усилителя колебания различных частот, лежащих в пределах его рабочего диапазона, причем напряжение на входе усилителя поддерживают при всех частотах постоянным. Тогда напряжение на выходе будет прямо пропорционально коэффициенту усиления на данной частоте. По полученным в результате измерений данным строят частотную характеристику усилителя (рис. 5).
Коэффициентом частотных искажений, обозначаемым буквой М, называют отношение М К/Кср, где Кср — коэффициент усиления па средних частотах, а К — коэффициент усиления па средних частотах, а К — коэффициент усиления на данной частоте.
В усилителях высокой частоты частотная характеристика должна быть достаточно широкой для того, чтобы пропустить без большого ослабления все боковые частоты, излучаемые радиостанцией. Если высокочастотный тракт приемника пропускает слишком узкую полосу частот, то воспроизведение передачи сопровождается частотными искажениями — ослабляются верхние звуковые частоты.
Фазовые искажения. Фазовые искажения могут иметь место только при усилении сложных колебаний, состоящих из нескольких простых синусоидальных колебаний разных частот. Так же как и частотные искажения, они появляются в результате наличия в анодной нагрузке лампы реактивных элементов, в частности емкостей. Это приводит к появлению сдвига фаз между токами и напряжениями звуковой частоты, причем этот сдвиг оказывается различным для колебаний разных частот. В результате может получиться так, что колебания разных частот как бы сдвигаются одно относительно другого во времени и форма результирующего сложного колебания исказится. Из рис. 6 видно, как резко изменяется вид сложного колебания, состоящего из колебаний основной частоты и ее второй гармоники, вследствие появления в результате усиления фазового сдвига между этими колебаниями.
Рис. 6. Искажение формы сложного колебания вследствие фазовых искажений: а — состав колебания на входе усилителя; б — состав колебания на выходе усилителя (1 — колебание основной частоты, 2 — вторая гармоника, 3 — суммарное колебание)
Этот вид искажений при приеме и усилении звуковых передач не имеет значения, так как наш слуховой аппарат не реагирует на сдвиг фаз между колебаниями разных частот. Иначе обстоит дело при приеме телевидения, — там фазовые искажения имеют существенное значение. Они приводят к появлению двойных контуров изображения, к резкому подчеркиванию границ между светлыми и темными местами и к некоторым другим явлениям. Для широкополосных усилителей, применяемых в телевидении, допустимы значительно большие нелинейные искажения, чем в звуковых усилителях радиоприемников.
Более важную роль в телевидении играют частотные искажения,. Ослабление усиления в области высших частот (спадание частотной характеристики на этих частотах) приводит к уменьшению четкости изображения: границы между светлыми и темными местами изображения становятся нечеткими, размытыми и само изображение также размывается.
Ослабление низших частот сказывается на качестве изображения меньше; оно приводит к тому, что у однотонных изображений изменяется яркость в вертикальном направлении.
Статьи
На информационном портале Русский Лес Вы найдете каталог организаций, предприятий связанных с лесопромышленным комплексом. А также необходимую информацию по технике и оборудованию лесной отрасли.