Усилители низкой частоты, укрупнено состоит из активных и пассивных элементов (компонентов), соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой. К активным элементам усилителя относятся транзисторы, тиристоры, диоды и стабилитроны, а так же другие полупроводниковые компоненты. В гибридных и чисто ламповых конструкция к списку активных компонентам относятся и сами радиолампы. К пассивным элементам УНЧ относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, в том числе и ТВЗ, а так же предохранители, проводники и т.п. Некоторые из перечисленных компонентов УНЧ оказывают непосредственное влияние на линейность устройства, т.е. вносят определённые типы искажений, свойственные для данной компонентной группы.
Укрупненно все искажения делятся на две группы: линейные и не линейные. В некоторых публикациях можно встретить такой тип искажений как динамические искажения. Тем не менее динамические искажения на самом деле являются подвидом линейных искажений, что и отражается естественным образом в соответствующих линейных характеристиках. Кроме того, стоит понимать, что все линейные типы искажений имеют непосредственную связь с частотной характеристикой, по этому в ГОСТ 23849-87 (с изм. от 01.07.1995г) оцениваются в группе «Характеристики, зависящие от частоты». Все нелинейные искажения представлены в группе «Амплитудная нелинейность». Для формирования более точного понимания формулировок ниже представлены пояснения из ГОСТ 23849-87 (с изм. от 01.07.1995г).
Характеристики, зависящие от частоты:
- Неравномерность частотной характеристики усиления: Изменение усиления, выраженное в децибелах, относительно усиления на опорной частоте как функция частоты;
Комментарий от автора: опорная частота, согласно ГОСТ 23849-87 (с изм. от 01.07.1995г) — 1000 Гц. Для усилителей высшей группы сложности (группа 0) неравномерность должна находиться в пределах ± 0,3 дБ, для первой группы сложности — ±0,5 дБ.
- Эффективный диапазон частот, ограниченный усилением: Диапазон частот, в пределах которого отклонения частотной характеристики усиления от заданной не превышают указанных в ТУ значений при установке усилителя в стандартные условия, за исключением требования к частоте измерительного сигнала;
Комментарий от автора: для усилителей высшей группы сложности (группа 0) эффективный диапазон частот составляет 10 — 40000 Гц; для первой группы сложности: 20 — 25000 Гц.
- Эффективный диапазон частот, ограниченный искажениями: Диапазон частот, в пределах которого при выходной мощности, равной половине номинального значения (если иное значение не указано в ТУ), общие гармонические искажения не превышают заданного в ТУ значения при отсутствии указаний это значение принимают равным 1%.
Комментарий автора: современные схемотехнические решения транзисторных, гибридных и ламповых усилителей, как правило имеют стабильно ровный уровень искажений на всей полосе пропускания частот, тем не менее если оценивается качество УНЧ, выполненного в схемотехнике второй половины и даже конца ХХ века, этот параметр имеет смысл проверять, причем для транзисторных УНЧ особое внимание следует уделять диапазону от 15кГц и выше, для ламповой технике проблемными могут являться области 35 — 25Гц и ниже.
- Фазо-частотная характеристика: Разность фаз выходного напряжения и ЭДС источника как функция частоты в стандартных условиях, за исключением требования к частоте измерительного сигнала.
Комментарий автора: разность фаз непосредственным образом оказывает влияние на амплитудно-частотную характеристику, т.к. при достижении определенного значения сдвига, в усилителях низкой частоты происходит изменение коэффициента усиления, в следствии чего происходит либо спад АЧХ либо подъем. Кроме того разность фаз, при достижении критического значения провоцирует самовозбуждения усилителя в определенной области частот, что приводит к ограничению по глубине петли ООС, а так же введению в схемотехнику специальных корректирующих цепочек (коррекция по запаздыванию, коррекция по опережению). В целом вопрос разности фаз изучен достаточно емко, а устранению негативного влияния сдвига посвящены целы разделы в публикациях по проектированию УНЧ, так например еще в 1963 году, в книге Г.В. Войшвилло «Усилители низкой частоты на электронных лампах» фазо-частотная характеристика рассматривается в главах 5 и 6, в частности параграф 6.3 посвящен вопросам устойчивости усилителей с обратной связью (Г.В. Войшвилло имеет ввиду устойчивость усилителя в петле обратной связи, рассматривает различные критерии устойчивости).
Амплитудная нелинейность:
- Общие гармонические искажения: Гармонические искажения с учетом всех значимых гармоник, возникающие в усилителе при заданных условиях;
Комментарий автора: для усилителей высшей группы сложности (группа ноль), общие гармонические искажения не должны превышать 0,007%. Для усилителей первой группы сложности — не более 0,07%. Для ламповых УНЧ в первой группе сложности требования несколько снижены — 0,7%.
Отмечу так же, что транзисторные усилители с общими гармоническими искажениями выше 0,7% и ламповые — выше 1,2% не могут быть отнесены даже ко второй (низшей) группе сложности — ГОСТ 24388-88.
На современном этапе развития схемотехнических решений транзисторных и даже ламповых усилителей, не представляется сложность проектирование со значениями ниже 0,1 — 0,01% общих гармонических искажений, по этому требования ГОСТ 24388-88 весьма мягкие.
- Гармонические искажения n-го порядка: Искажения синусоидального сигнала усилителем, которые выражаются в присутствии гармоники n-го порядка в спектре выходного сигнала;
Далее, человеку интересующемуся, но не имеющему специфического образования я рекомендую читать определения вдумчиво, при необходимости читать несколько раз, т.к. формирование понимания ниже представленных видов нелинейных искажений не может быть представлено без некоторых математических формулировок и специфических терминов.
- Интермодуляционные искажения n-го порядка, при n = 2: Искажения, возникающие в усилителе, при подаче на вход двух синусоидальных сигналов, частоты которых F1и F2 равны предпочтительным средним частотам третьоктавных полос, а отношение амплитуд равно 4:1, определяемые как отношение арифметической суммы составляющих выходного сигнала на частотах F2+F1 и F2-F1 к составляющей на частоте F2;
- Частотно-разностные искажения n-го порядка при n = 2: Искажения, возникающие в усилителе при подаче на вход двух равных по амплитуде синусоидальных сигналов, разность частот которых F1 и F2 равна заданному значению, а средняя арифметическая частота которых Fm = (F1+F2) / 2 выбрана из ряда предпочтительных средних частот третьоктавных полос, определяемые как отношение удвоенного значения составляющей выходного сигнала U'2 на частоте F2-F1 к опорному напряжению, которое равно удвоенному значению составляющей выходного сигнала на частоте F2;
- Динамические интермодуляционные искажения: Искажения, возникающие в усилителе при подаче на вход суперпозиции двух сигналов, один из которых представляет собой синусоидальный сигнал частотой Fs , а другой — сигнал прямоугольной формы частотой Fq при Fq< <Fs при отношении амплитудного значения сигнала прямоугольной формы к максимальному значению синусоидального сигнала, равном 4:1, определяемые как отношение среднего квадратического значения суммы составляющих выходного сигнала на заданных частотах к составляющей на частоте Fs;
- Общие частотно-разностные искажения: Искажения, возникающие в усилителе при подаче на вход двух синусоидальных сигналов с частотами F1 и F2, определяемые как отношение двойной суммы средних квадратических значений составляющих выходного сигнала на частотах F2-F1 и 2F1— F2 и выходному опорному напряжению, равному арифметической сумме выходных напряжений на частотах F1 и F2.
Комментарий автора: не смотря на представленное многообразие нелинейных искажений, а так же учитывая тот факт, что на слух (при достижении слышимого уровня), их восприятие отличается друг от друга, справедливо говорить о том, что природа возникновения нелинейных искажений одна — нелинейность активного элемента, а следовательно при должном компетентном подходе к проектированию усилителя, все рассмотренные нелинейные искажения находятся примерно на одном уровне.
Кроме того, при сравнительно низком уровне общих гармонических искажений (интервалы нулевой и первой групп сложности УНЧ), снижено, а чаще полностью отсутствует их восприятие человеком.
Очень важно понимать, что в правильно спроектированной звуковой системе усилитель большую часть времени работает при выходном напряжении около 10 дБ ниже номинального выходного напряжения, ограниченного искажениями, благодаря распределению во времени амплитуды музыкальных и речевых составляющих сигнала.