Виды нелинейных искажений

Односигнальные гармонические искажения, интермодуляционные ис­кажения, коммутационные искажения, тепловые искажения – что это такое и как с этим бороться?

Искажения сигнала определяются как любые отклонения сигнала, при которых его форма отличается от идеальной в рамках функций, заданных системе его обработки.
Если наличие тех или иных отклонений от идеальных характеристик не заложено в алгоритме работы устройства, то искажения являются нежелательными и их, так или иначе, стараются либо свести к минимуму, либо полностью устранить.

Виды искажений

1. Нелинейные гармонические искажения

Как следует из названия, нелинейные искажения – это термин, используемый для описания нелинейной зависимости между входным и выходным сигналами цепи.
Одним из основных факторов такой нелинейности, является появление в выходном спектре новых гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного синусоидального сигнала. Поэтому помимо определения "нелинейные искажения" зачастую можно встретить термин "гармонические искажения".

Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) или коэффициентом гармонических искажений (КГИ или THD_F).
Вопреки расхожему мнению, коэффициент гармонических искажений (THD) и коэффициент нелинейных искажений (КНИ) – это несколько разные параметры, значения которых практически не отличаются друг от друга лишь при их малых величинах. Для того чтобы в этом убедиться, достаточно взглянуть на формулы:

где U₁ – это амплитуда основной частоты, n – номер гармоники (2, 3 и т. д.), а Un – значения амплитуд гармоник.

Нелинейные (гармонические) искажения измеряются в процентах либо дБ, а быстро их перевести из одной системы измерений в другую можно с помощью онлайн калькулятора – perevod-THD.

Для звуковоспроизводящей техники абсолютная величина КНИ далеко не в полной мере характеризует её качество. Так некоторые УМЗЧ могут иметь довольно высокий уровень нелинейных искажений (вплоть до 0.5...1%), но при этом относиться к премиальному классу и отлично звучать. Более важен спектральный (гармонический) состав этих искажений, желательно с доминированием чётных, в первую очередь 2-й гармоники, и быстрым спадом уровня всех остальных.

Рис.1 Пример асимметрии сигнала

Чётные гармоники всегда возникают при асимметрии сигнала (Рис.1). Красным цветом здесь обозначен образцовый сигнал частотой 1 кГц, не содержащий гармоник, зелёным – искажённый, он же асимметричный. Максимальную амплитуду при такой асимметрии развивает 2 гармоника, а далее идёт ниспадающая гребёнка гармоник с частотами 3 кГц, 4 кГц, 5 кГц и т. д. Если форма выходного напряжения идеально симметрична относительно нуля (Рис.2), то чётные гармоники практически отсутствуют, а основной спектральный состав приходится на 3, 5, 7 и т. д. нечётные гармоники.

Рис.2 Пример симметричных искажений: ограничение сигнала (насыщение) слева, искажения типа «ступенька» справа

В данном разделе мы рассмотрели гармонические искажения при подаче на вход одночастотного синусоидального сигнала. В реальном же звукоряде присутствует масса различных частот, спектр и амплитуда которых постоянно изменяется во времени. Поэтому переходим к следующему пункту нашей программы:

2. Интермодуляционные искажения

Интермодуляционные искажения (ИМИ, IMD) – это подвид нелинейных искажений, приводящих к возникновению комбинационных частот, являющимися суммой и разностью основных и гармонических частот входных сигналов.
Например, при подаче на вход устройства двух сигналов 400Гц и 4кГц возникают интермодуляционные частоты: 4.4 кГц (400 Гц плюс 4 кГц) и 3.6 кГц (4 кГц минус 400 Гц). Эти продукты интермодуляции взаимодействуют друг с другом, создавая практически бесконечный ряд частотных составляющих, но основное внимание, в большинстве случаев, обращается на интермодуляционные продукты 2-го и 3-го порядков (Рис.3).



Рис.3 Частотное распределение IMD второго и третьего порядков

Такие комбинационные частоты не соотносятся с основными тонами музыкального сигнала и за счёт этого привносят в него диссонансный фоновый шум, заметный даже при низких уровнях ИМИ (если сравнивать с теми же уровнями гармонических искажений).

На практике для числовой оценки интермодуляционных искажений (IMD) используют коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход устройства двух гармонических сигналов f1 и f2 с равными амплитудами.
Коэффициент интермодуляционных искажений 2-го порядка определяется как отношение амплитуды комбинационной составляющей f2 ± f1, к амплитуде одного из входных сигналов.
Коэффициент ИМИ 3-го порядка – как отношение амплитуды комбинационной составляющей 2∙f2 – f1 (или 2∙f1 – f2) к амплитуде одного из этих сигналов на входе.
Обычно эти коэффициенты выражаются в относительных единицах (дБс), т. е. – децибелах относительно несущей.

В аудио технике интермодуляционные искажения, как правило, не разделяются по порядкам, а определяются как среднеквадратичное (RMS) значение различных суммарно-разностных сигналов в процентах от среднеквадратичного напряжения исходного (входного) сигнала.
При этом единого стандарта на частоты измерительных сигналов не существует: это могут быть и два сигнала с частотами 60 Гц и 7 кГц с соотношением амплитуд 4: 1 (по стандарту SMPTE) и многие другие стандарты, использующие другие частоты и соотношения амплитуд. Наиболее простым в реализации является двухтональный анализ с частотами сигналов 19кГц и 20кГц одинакового уровня и последующим измерением уровня разностной частоты 1кГц. Наиболее сложным – мультичастотный метод с подачей многотонального сигнала с оптимизированными коэффициентами амплитуды.
Никто не отменял и субъективную оценку, при которой характеристики устройства определяются группой экспертов по результатам прослушивания звучания различных тестовых композиций. Причём такая методика оценки (наряду с многотональной) на сегодняшний день признаётся одной из самых эффективных.

Для снижения любых видов нелинейных искажений необходимо не так уж и много:
1. Тщательная схемотехническая проработка каждого из каскадов, входящих в состав устройства, включая выбор оптимальных режимов работы по постоянному току и введение местных ООС для снижения THD и IMD каждой ступени усиления.
2. Использование качественных компонентов с паспортными характеристиками, с запасом удовлетворяющими выполнению поставленных задач.
3. И уже на самом завершающем этапе – введение (при необходимости) общей ООС, дополнительно снижающей итоговое значение искажений до необходимого уровня. Чем меньшее количество каскадов охватит эта ОООС и чем меньше будет её глубина, тем будет лучше с точки зрения звучания аппаратуры и её "устойчивости".

3. Коммутационные искажения

Одним из видов искажений, свойственных двухтактным усилителям классов В и АВ, являются коммутационные (переключательные) искажения (КИ), возникающие в транзисторах выходного каскада в моменты перехода сигнала через «0», т. е. при смене активного усилительного плеча при прохождении верхней/нижней «полуволны» выходного напряжения (Рис.4).



Рис.4 Коммутационные искажения при переходе сигнала через «0»

Возьмем центральный участок. В момент перехода напряжения через ноль ток нижнего транзистора (красный график) уменьшается, но недостаточно быстро – верхний транзистор начинает открываться раньше, чем успел рассосаться заряд из нижнего. Как следствие – существует незначительное время, когда оба транзистора находятся в проводящем состоянии, что приводит к появлению выбросов тока, приводящих к дополнительному увеличению величины гармоник высшего порядка.

Существуют различные способы предупреждения КИ, в частности, использование особого режима работы двухтактного оконечного каскада УМЗЧ с постоянным сквозным током, воплощённый, к примеру, в усилителе DA-A30 фирмы Mitsubishi.
Также для снижения КИ вводят и специальные цепи, обеспечивающие плавную отсечку эмиттерного тока транзисторов выходного каскада. В этом случае время разряда диффузионной ёмкости увеличивается, и условий для возникновения короткого и значительного по амплитуде импульса не создается.
Кстати, у выходных каскадов, работающих в классе А, проблем с коммутационными искажениями не возникает, как, впрочем, и у однотактных устройств.

4. Тепловые искажения

Тепловые искажения – это изменения, вносимые в сигнал при прохождении его через электрическую цепь (или полупроводниковый прибор), обусловленные тепловым воздействием самого сигнала (тока) на термочувствительные параметры цепи.
В полупроводниках рост температуры кристалла под действием протекающего тока сигнала вызывает изменение таких параметров, как: прямое падение напряжения на диоде, напряжение база-эмиттер (затвор-исток), статический коэффициент передачи тока (крутизна) и др.

Тепловые процессы имеют инерционный характер, обусловленный реальной теплоёмкостью кристалла и корпуса прибора. Поэтому электротепловые процессы в транзисторах не только приводят к изменениям мгновенных значений параметров, но и создают эффект "памяти" в электрических цепях и усилительных каскадах. Такая память проявляется как изменяющиеся во времени параметры после воздействия мощного сигнала: смещение рабочей точки, изменение коэффициента передачи, сдвиг постоянной составляющей сигнала. Эти процессы, в свою очередь, неизбежно приводят к искажениям сигнала, ухудшающим качество воспроизводимого звука.

При этом обычная термостабилизация не способна заметно улучшить динамическую термостабильность каскадов из-за значительно большей инерционности тепловых процессов в устройстве по сравнению с постоянной времени тепловых процессов внутри полупроводникового прибора.

Очевидно, что для снижения тепловых искажений, необходимо применение схемных решений: либо уменьшающих колебания температуры кристаллов приборов, либо минимизирующих их влияние на параметры усилителя. Такими решениями могут быть:
— выбор режима термостабильной точки каскада на полевом транзисторе;
— охват одного или нескольких усилительных каскадов ООС, выполненной на другом усилительном элементе, имеющем малые колебания мощности (и, следовательно, температуры) при воздействии сигнала;
— взаимная компенсация тепловых искажений каскадов.

И на этот раз отметим, что у выходных каскадов, работающих в классе А, проблем с тепловыми искажениями, также как и с коммутационными, не возникает!

5. Линейные искажения (частотные и фазовые)

Линейные искажения – это отклонения формы сложного гармонического или импульсного сигнала на выходе усилителя от формы сигнала на его входе, вызванные воздействием реактивных элементов (емкостных и индуктивных), а также влиянием инерционных свойств активных элементов.

Линейные искажения в отличие от нелинейных не сопровождаются появлением в спектре сигнала новых гармонических составляющих. Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работающего в линейном режиме, будет отличаться от входной только в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые указанными причинами изменения формы сигнала называют, соответственно, частотными и фазовыми искажениями.
Но об этом мы подробно поговорим на следующей странице.


Литература:
1. Vpayaem.ru – Коэффициенты нелинейных искажений. Перевод из дБ в % и наоборот
2. https://overclockers.ru/ – Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)
3. Радио, 2007, №9 – Транзисторный УМЗЧ с повышенной динамической термостабильностью

Дальше