Измерение параметров усилителей класса D - это отдельное искуство. Если вы попытаетесь измерить параметры усилителя привычным методом, просто подключив выход импульсного усилителя ко входу звуковой карты, то рискуете вместо ожидаемых сотых долей процента КНИ и низкого шума, увидеть нечто совсем неприятное, а то и вовсе перегрузите вход звуковой карты.
При измерении классического усилителя класса AB (или A, или B), на его выходе мы имеем чистый аналоговый сигнал. Всё, что находится за пределами звукового диапазона (выше 20 кГц) - это тепловой шум и едва заметные гармоники, которые имеют естественный спад с ростом частоты. Измерительный прибор спокойно переваривает такой сигнал.
Усилитель класса D работает иначе. По сути, это мощный ШИМ-генератор. На его выходе помимо полезного звукового сигнала, всегда присутствует остаток несущей частоты (обычно в диапазоне от 200 до 500 кГц) и ее гармоники. Аудиоанализаторы и АЦП звуковых карт не рассчитаны на такое количество высокочастотной составляющих на входе.
Происходят две вещи:
1. Перегрузка входных каскадов по скорости нарастания сигнала. ОУ на входе анализатора уходят в жесткий нелинейный режим.
2. Алиасинг (наложение спектров). Искажение, возникающее в АЦП при оцифровке аналогового сигнала, если частота входного сигнала превышает половину частоты дискретизации АЦП (предел Найквиста). Поскольку измерительный прибор делает "снимки" уровня напряжения с фиксированным шагом, он физически не успевает за быстрыми колебаниями высокочастотной несущей ШИМ. Из-за недостаточной плотности измерительных точек, АЦП ошибочно интерпретирует этот быстрый процесс как медленный, математически перенося энергию высокочастотной помехи внутрь слышимого звукового диапазона.
В результате на графиках спектра появляются ложные гармоники и фантомные шумы, которых на самом деле нет в сигнале. Реальный динамик этот ультразвуковой "мусор" не воспроизводит, но входной каскад АЦП без предварительной фильтрации неизбежно фиксирует мнимые искажения: вместо условных -110 дБ соотношения сигнал/шум, прибор покажет всего -70 дБ.
Чтобы защитить вход измерителя (звуковой карты) от перегрузки и полностью исключить алиасинг, строго необходимо использовать аналоговый фильтр низких частот, который должен физически подавить остатки ШИМ до того, как они попадут на вход звуковой карты. В индустрии де-факто стандартом для этой задачи стал аналоговый пассивный фильтр Audio Precision AUX0025.
Это двухканальный пассивный LCR-фильтр, который включается строго между эквивалентом нагрузки и входом аудиоанализатора (звуковой карты).
Задачи у AUX0025 следующие:
- Плавно начать спад в районе 50-80 кГц, чтобы никак не повлиять на звуковой диапазон.
- Обеспечить радикальное затухание (более 50 дБ) в полосе частот от 250 кГц до 20 МГц, что полностью срезает жесткие фронты ШИМ и саму несущую частоту.
- Не вносить собственных искажений.
После AUX0025 на АЦП приходит очищенный сигнал, который АЦП может оцифровать в штатном режиме без артефактов.
Audio Precision AUX0025 имеет один гигантский недостаток для домашнего использования - это его цена. Оригинальный Audio Precision AUX0025 стоит как подержанный автомобиль, что делает его недоступным для любительской лаборатории. Однако, энтузиасты давно нашли изящный выход из этой ситуации. Поскольку базовая физика пассивной фильтрации неизменна, повторить концепцию оригинального фильтра в домашних условиях оказалось вполне посильной задачей. Именно поэтому, на профильных ресурсах существует множество открытых DIY-проектов по созданию клонов и аналогов AUX0025.
На одном из таких ресурсов мной была найдена схема, которая позиционировалась как схема того самого AUX0025:
Хотя аутентичность схемы остается под вопросом, ее реальная АЧХ почти со стопроцентной точностью повторяет характеристику оригинального AUX0025 из официальной документации производителя:
Я не стал собирать фильтр в балансном исполнении (о чем, вполне возможно, вскоре пожалею), а остановился на небалансном варианте. Схема разведена на собственной печатной плате и дополнена переключаемыми делителями напряжения. Это позволяет гибко подстраивать чувствительность под обмер усилителей с разной выходной мощностью. Предельное входное напряжение моего прибора составляет 100 В в полосе частот до 20 кГц.
Схема моего варианта фильтра:
При построении фильтра использовалась недорогие, но достаточно качественные электронные компоненты: металлопленочные резисторы Yageo, пленочные конденсаторы Wima и Epcos, катушки индуктивности Bourns на ферритовых сердечниках. Бояться насыщения феррита и связанных с этим нелинейных искажений здесь не стоит: благодаря наличию делителей напряжения, расположены после фильтрующих элементов, ток в цепи остается очень небольшим - почти в десять раз ниже тока насыщения катушек индуктивности даже при максимальном входном напряжении (100 В).
Кстати, о делителях. Фильтр оснащен базовым неотключаемым аттенюатором, который снижает уровень сигнала на выходе в 10 раз относительно входа фильтра. В дополнение к нему предусмотрены две подключаемые ступени: 1:20 и 1:50. Работая в связке с основным делителем, они позволяют получить итоговое ослабление в 20 или 50 раз соответственно, а при одновременном включении всех ступеней, сигнал на выходе фильтра ослабляется почти в 60 раз. Кроме того, в конструкции предусмотрен отдельный прямой выход непосредственно после LCR-фильтра, предназначенный для подключения осциллографа, чтобы визуально контролировать форму сигнала без его ослабления.
Для защиты входа звуковой карты на выходе фильтра предусмотрен встречно-параллельный ограничитель из шести диодов. Эта цепочка жестко фиксирует амплитуду выходного сигнала на безопасном уровне 1,8 В, защищая вход звуковой карты от возможной перегрузки по напряжению.
Плата фильтра выглядит следующим образом:
Печатная плата проектировалась под габариты алюминиевого корпуса от старого автомобильного инвертора 12->220 В, который удачно оказался под рукой. Профиль корпуса пришлось укоротить по длине, изготовить переднюю и заднюю панели, а затем все это покрасить. В итоге получилось законченное устройство, внутренний и внешний вид которого представлен ниже:
Хотя "железо" защитило АЦП, однако для получения точных цифр КНИ и сигнал/шум этого недостаточно. Чтобы стандартизировать измерения импульсных систем, Audio Engineering Society приняло стандарт AES17.
Одно из главных требований стандарта - использование финишного низкочастотного фильтра (AES17 Low-Pass Filter), для подавления остаточных высокочастотных шумов в промежутке от 20 до 50 кГц. Фильтр имеет радикальное затухание (не менее 60 дБ) уже на частоте 24 кГц.
Реализовать аналоговый фильтр диапазона 20–24 кГц со спадом в 60 дБ физически невозможно. Для этого потребовался бы фильтр невероятно высокого порядка (порядка 15–20-го). Поэтому честный фильтр AES17 реализуется исключительно в цифровом виде, в составе измерительного софта, например в REW или RMAA. Цифровой фильтр математически отсекает всё, что выше 20 кГц, работая в связке с аналоговым предфильтром, типа AUX0025, как идеальное дополнение.
Таким образом, корректное измерение класса D - это всегда двухэтапная задача. Аналоговый фильтр типа AUX0025 берет на себя грубую физическую работу: защищает входные каскады звуковой карты и отсекает несущую частоту ШИМ, предотвращая перегрузку и алиасинг. В свою очередь, цифровой алгоритм стандарта AES17, выполняет ювелирную доводку, математически отрезая остаточный ультразвуковой шум строго по границе слышимого диапазона. Только в такой связке - "железо + софт", можно получить объективную картину работы усилителя класса D, очищенную от иллюзий и артефактов оцифровки.
Файлы:
Lay-файл печатной платы FILTD25.00 - https://disk.yandex.by/d/im6frjk6gwXYpg
Дата первой публикации: 12 июля 2026
Дата изменения: -