Параметры усилителей мощности

Предисловие

Здесь не даются строгие определения параметров и характеристик усилителей по ГОСТам и западным стандартам, но сделана попытка дать объяснение некоторым понятиям, а также способам измерения некоторых величин. Попытаемся понять, что в технических характеристиках важно, а что — нет, и как эти характеристики связаны со звучанием. Прочитав эти заметки, нельзя будет получить «сокровенное знание» — для этого желательно изучить некоторые разделы высшей математики, терии автоматического регулирования, прочитать достаточно много разных умных книг и набить много шишек.
В настоящее время почти все производители перестали указывать все сколько-нибудь значимые параметры и характеристики усилителей: за исключением мощности и, иногда, частотного диапазона и нелинейных искажений, «забывая», при этом, указать условия, при которых измерялись эти величины.
Чем это вызвано? Смотри «Мой взгляд на субъективизм»: [NOTES]. В действительности, усилители, особенно дорогие, отличаются большим разнообразием характеристик. Хотя сторонники субъективистского подхода говорят, что эти цифры вообще ни на что не влияют, тем не менее, я, злостный объективист и технарь, утверждаю что:
— усилитель с плохими характеристиками звучать хорошо не может;
— если усилитель с «хорошими» характериистиками звучит плохо, значит эти характеристики не полно отражают его особенности, или аппарат имеет конструктивные недоработки, влияющие на звучание.
Такие недоработки возможны у очень известных фирм и их особенно часто можно ожидать у карликовых фирм, делающих очень дорогие аппараты с нетрадиционнными техническими решениями. Примерами таких дефектов могут быть:
— возбуждение усилителя при определенныых нагрузках и уровнях сигналов,
— подверженность влиянию радиочастотныхх сигналов.
— другие причины.
&nbbsp Например, усилитель может возбуждаться на пике верхней полуволны сигнала при конкретной нагрузке, а в отсутствии сигнала и на эквивиленте нагрузки — быть устойчивым. При этом он еще может создавать помехи тьюнерам и другим устройствам. Вблизи УКВ радиостанций или работающего сотового телефона подверженный влиянию радиопомех усилитель будет звучать очень плохо.
Дешевые (и не очень) модели, построенные на нескольких семействах микросхем вроде STK… (Sanyo) или TDA… (Thompson), как правило, не приносят таких сюрпризов, хотя могут и не отличаться изысканным звучанием.

Собственно параметры

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), как правило, представляет собой мощный операционный усилитель (ОУ), охваченный отрицательной обратной связью, и включенный по неинвертирующей (или реже — инвертирующей) схеме усилителя переменного (реже — постоянного) тока (а иногда и по дифференциальной схеме). Такая схема может быть выполнена на дискретных элементах, специализированной микросхеме или ОУ в комбинации с дискретными элементами. Поэтому и набор параметров ОУ, особенно предназначенного для аудио применения, приводимый изготовителем, весьма схож с таковым для УМЗЧ.
Все параметры можно разделить на несколько групп: параметры в режиме малого сигнала, в режиме большого сигнала, входные, выходные, по постоянному и переменному току, статические и динамические и.т.д. Не все параметры одинаково важны, однако незнание их значений может привести к неожиданным результатам.

Мощность

Мощность — параметр, не связанный с качеством УМЗЧ. Эта величина необходима для оценки громкости звука в комнате прослушивания. При этом абсолютно необходимо знать чувствительность акустических систем, которую производители склонны завышать, как рыночные торговцы, у которых вес неточен всегда с отрицательной погрешностью. Определение необходимой и достаточной мощности для озвучивания конкретного помещения — это длинная песня, и мы не будем ее здесь касаться. В журнале «Аудио магазин» (№2 за 1996 г.) была несколько заумная статья («Мощность. Часть 1.», не уверен, что была вторая), в которой автор (А. Лихницкий) попытался строго «научно» расмотреть эту задачу, при этом, как мне кажется, ошибок в математике сделано не было. Правда, посчитать, усилитель какой мощности вам нужен, с помощью этой «строгой» методики вам вряд ли удастся. Но, тем не менее, почитать для общего развития есть что. Мощность — это энергия (для усилителя — электрическая), отдаваемая усилителем в нагрузку в единицу времени. Численно она равна произведению тока, отдаваемого в нагрузку на напряжение, развиваемое при этом на нагрузке. Так как и ток и напряжение изменяются во времени — являются переменными, то мощность может быть мгновенной и средней (и действующей). Для чистого синуса действующая мощность в два раза меньше мгновенной и не равна средней. Во всех описаниях указывается действующее значение мощности. Реальный музыкальный сигнал далек от синуса и действующее значение мощности меняется со временем.

На рисунке показана типовая зависимость нелинейных искажений (THD) транзисторного усилителя, работающего в классе «АВ» от выходной мощности (P0). Этот рисунок помогает понять, чем руководствовались, давая различные определения мощности. Как видно, при увеличении мощности от нуля нелинейные искажения сначала падают, потом от 10 до 100 Вт почти не меняются, а после 120 — 140 Вт резко растут. Если бы усилитель работал в режиме «А», то искажения плавно росли бы от 0 до 100 Вт, но были бы все время меньше, чем в режиме «АВ», а после 100 Вт график вел бы себя также как и тот, что на рисунке. В технических характеристиках на мою «Айву-950» написано:
Effective output power
150 W + 150 W (4 ohms, T.H.D. 0.9%, 1 kHz) 100 W + 100 W (8 ohms, T.H.D. 0.9%, 1 kHz).
Это так называемая мощность по стандарту DIN — примерно соответствующая «нашей» номинальной. Причем, здесь корректно указано, что она измерена при обоих работающих каналах на частоте 1кГц при нелинейных искажениях 0.9%. Иногда ее измеряют при 1% или при 0.5%, но, если начальный уровень искажений (при 1кГц и около 0.5 -0.7 номинальной мощности) — мал, как на нашем рисунке, и составляяет тысячные доли процента, то эти значения отличаются незначительно. Из рисунка видно, что на частоте 20 кГц нелинейные искажения больше раза в три. Эта мощность измеряется в стационарном режиме, т. е. при синусоидальном сигнале постоянной амплитуды. У усилителя, к которому относится рисунок эта мощность примерно равна 150 Вт.
Если мощность измерить при 10% искажений в стационарном режиме, получится наша максимальная мощность. Максимальная мощность процентов на 40 больше номинальной.
Если на вход усилителя подать синусоидальный сигнал в 1 кГц продолжительностью 100 мс, после чего следует пауза в 900 мс (тональная посылка), и добиться коэффициента нелинейных искажений 10%, то действующая мощность во время наличия синуса будет музыкальной или динамической. Она несколько больше максимальной, так как источник питания при кратковременном сигнале не успевает «подсесть». Динамическую мощность можно измерить и при нагрузке, меньшей, чем номинальная, например 2 Ом или, даже, 1 Ом. Если усилитель способен выдать большой выходной ток и у него могучий источник питанмя, то динамическая мощность должна расти в два раза с уменьшением сопротивления нагрузки в два раза. То же можно сказать и про номинальную. Как видно, моя AIWA не способна к такому подвигу, что свидетельствует о хилости ее блока питания.
На коробках с китайскими магнитолами иногда написано PMPO 1200 W! Это должно означать что-то вроде «пиковая музыкальнная мощность — 1200 Вт!» Хотя этот параметр не несет вообще никакой смысловой нагрузки, попробуем понять, откуда его можно получить. Номинальная мощность одного канала этого пластмассового чуда при питании от сети — ватт аж 20. Сложим правый канал с левым и получим уже 40! Если померить динамическую мощность для двух каналов, получим ватт 100.Максимальная мгновенная мощность для синуса будет еще в 2 раза больше — и 200 Вт уже есть! Для пикфактора реального музыкального сигнала мгновенная максимальная мощность еще раза в 2 больше — 400 Вт достигнуто! А где же 1200? А нигде! Не покупай китайские мыльницы! Для справки: чтобы обеспечить 1000 Вт на 4-х омах нужен ток 16 А, а схемы защиты от короткого замыкания микросхем оконечных усилителей настроены ампер на 5: см. datasheets.
С понятием мощности тесно сопутствует коэффициент полезного действия — к.п.д. Это служебный параметр, на звук никак не влияет, но полезно знать, какую мощность вы вынуждены рассеивать на радиаторах вашего усилителя. Для каждого класса схем и режима выходного каскада есть свой теоретически достижимый к.п.д. Самым низким к.п.д. обладают однотактные схемы в режиме А — 25% максимум, двухтактные — 50% максиимум. Схема в режиме B — реально процентов 60, здесь к.п.д. зависит от величины начального тока выходного каскада. Необходимо отметить, что такой к.п.д. каждая схема развивает при сторго определенном значении амплитуды синусоидального сигнала. Во всех других случаях он меньше.
С мощностью связана и перегрузочная способность. Для УМЗЧ этот параметр малозначим. Он описывает, на сколько децибел номинальное выходное напряжение или мощность отличается от некого максимального, когда начинаются ограничения выходного сигнала по питанию — clipping. У транзисторных усилителей — и это можно увидеть из рисунка — перегрузочная способность невелика. Номинальная мощность от максиальной отличается процентов на 40, а отличие по мощности в 2 раза дает всего 3 дБ. Сторонники ламп гордятся «мягким» ограничением ламповых усилителей (soft clipping). В транзисторных — достаточно иметь запас по мощности и не вгонять усилитель в ограничения. А при кратковременных перегрузках при 110 дБ громкости вы и так ничего не заметите.
Слово «мощность» присутствует и в названии некоторых других параметров, например — «полоса мощности» (power bandwidth). Но это уже другая сказка:

Частотные параметры

Таким термином я обозвал все параметры, характеризующие частотные свойства усилителя. Они измеряются в режиме малого и большого сигнала. Power bandwidth — как раз параметр, измеряемый в режиме большого сигнала. Частотные параметры — числа — можно получить из частотных характеристик — графиков. Такими характеристиками являются АЧХ — амплитудно-частотная характеристика, ФЧХ — фазочастотная характеристика. Амплитудно-фазовая характеристика — гибрид первой и второй. Собственно, график модуля АЧХ, и ФЧХ в виде асимптотической кривой в логарифмическом масштабе называется диаграммой Боде. Иногда АЧХ называют зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты. И АЧХ и ФЧХ можно снять для усилителя с обратной связью и без нее. Сравних их можно получить такой параметр, как глубина ОС.
Из диаграмм Боде можно получить много интересного, например «частотный диапазон по уровню -3 dB» или output banwidth. Именно это имеется в виду, когда пишут: «частотный диапазон 5 Гц — 100 кГц». Частотный диапазон измеряется в режиме малого сигнала: при входном напряжении постоянной амплитуды напряжении равном 0.1 от максимального. По диаграммам Боде можно определить, устойчив ли усилитель и насколько (запас устойчивости).
Диаграммы Боде можно нарисовать как для усилителя с замкнутой петлей обратной связи — ОС и с разомкнутой. В последнем случае можно определить произведение усиления на частоту gain-bandwidth product — GBW, который характеризует возможную глубину обратной связи, которую можно получить на падающей ветви амплитудной характеристики в зависимости от частоты.
Если входное напряжение равно номинальному, то из того же графика, правда, пересчитанного в мощность можно определить Power bandwidth. Полоса в режиме малого сигнала всегда шире, чем в режиме большого сигнала.

Параметры переходного процесса

Если на вход усилителя подать единичный перепад напряжения, то он будет отслежен не сразу, а выходное напряжение установится после некоторого переходного процесса, который характеризуется временем нарастания ((small signal) rise time), перерегулированием (overchoot factor, small signal overshoot) и временем установления… или успокоения(?) — (large) signal setting time to 0.01% (можно и «to 0.1%» или до другого значения). Реально на вход усилителя подают прямоугольные импульсы с частотой раз в пять меньше длины переходного процесса, чтобы он был хорошо различим. По характеру переходного процесса можно судить об устойчивости усилителя. Апериодический процесс свидетельствует об абсолютной устойчивости, а затухающие колебания (ringing) — о малом запасе устойчивости.

Нелинейные искажения

Если через линейную систему пропустить синусоидальнй сигнал, то на выходе получим такой же чистый синус. Если система нелинейна, то синус исказится. Если выходной сигнал разложить в ряд Фурье, то получим сновную гармонику и кучу дополнительных с чатотами кратными основной. Коэффициент нелинейных искажений (к.н.и., T.H.D.) — это отношение квадратного корня из суммы квадратов амлитуд гармоник к амплитуде первой гармоники. В specifications моей Aiwa-950 написано: Total harmonic distortion 0.005% (20 Hz — 20 kHz, 75 W, 8 ohms). Это означает, что коэффициент нелиннейных искажений в указанной полосе частот и при указанной мощности не превышает 0.005%.
Если на вход нелинейной системы подать два синуса с некратными частотами, то на выходе получим, кроме гармоник основных сигналов, еще кучу гармоник с частотами кратными сумме и разности основных частот и их гармоник. Если корень из суммы квадратов амплитуд последних отнести к корню из суммы квадратов амплитуд основных сигналов, получим коэффициент интермодуляционных искажений (к.и.и.). И нелинейные и интермодуляционные искажения вызваны нелинейностями одной природы и одинаково характеризуют систему. И к.н.и. и к.и.и. выражаются в процентах, хотя иногда уровень нелинейных искажений выражают в децибеллах.
Нелинейные искажения измеряются в стационарных условиях. При переходных процесах возникают динамические искажения. Существуют различные способы их измерения: например с помощью суммы прямоугольного и синусоидального сигналов.
Нелинейные искажения могут быть снижены за счет применения более линейных элементов (здесь выбор невелик), линеаризации каскадов за счет местных ОС, применения симметричных схем (симметричный рисунок еще не говорит о том, что схема симметрична — не всегда «комплементарные» транзисторы обладают одинаковыми параметрами), за счет увеличения глубины общей ОС (что является страшной крамолой у адептов High End) и за счет подбора транзисторов дифкаскадов и двухкактных каскадов. От одного очень вредного вида искажений — переходных искажений выходного двухтактного каскада- можно радикально избавиться, переведя каскад в режим А, но при этом теряется перегрузочная способность по току выходного каскада.

Шумы

Кроме искажений усилитель добавляет к полезному сигналу и шум. Правда, шум, в отличие от искажений, присутствует и без сигнала. Отношение сигнал-шум (signal-to-noise ratio — SNR), выраженное обычно в децибеллах — наиболее часто используемый параметр. Если оно измерялось с помощью специального фильтра, учитывающего относительную слышимость звуков на разных частотах, то говорят, что это отношение «взвешенное» в отличие от невзвешенного. Взвешенное значение SNR одного и того же аппарата больше на несколько децибелл, чем невзвешенное. Шумы измеряются среднеквадратическим вольтметром (True RMS).
Отношение шума к сигналу, выраженное в децибелах, называется уровнем шума. Если SNR=70 dB, то уровень шума равен -70 dB. За уровень сигнала обычно берут напряжение, соответствующее номинальной мощности.
Иногда, когда уровень нелинейных искажений низок, измеряют уровень шумов в сумме с нелинейными искажениям.

Скорость нарастания

Скорость нарастания выходного сигнала (slew rate) — еще один параметр, измеряемый в режиме большого сигнала. Выражается в В/мкс. Если на вход подать прямоугольные импульсы с амплитудой, достаточной для получения максимального размаха выходного напряжения, то на выходе получим импульсы трапецидальной формы. угол наклона боковых сторон этой трапеции и есть скорость нарастания. В общем случае сорости нарастания снизу вверх и сверху вниз могут быть неравны. В общем, slew rate является параметром переходного процесса.

Коэффициент демпфирования и максимальный выходной ток

Отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивленю усилителя называется коэффициентом демпфирования (dumping factor). В принципе, выходное сопротивление — частотно-зависимый параметр, и коэффициент демпфирования на 20 килогерцах меньше, чем на 1 КГц.
Собственно, выходное сопротивление услителя — параметр, присущий самому усилителю и не зависящий от сопротивления нагрузки. Оно зависит от свойств выходного каскада и глубины ОС.
Максимальный выходной ток определяется конструкцией усилителя и применяемыми схемами защиты выходных каскадов.
Этот подраздел можно былобы назвать выходные параметры (характеристики).

Входные характерисики

Для операционных усилителей приводится много величин, характеризующих вход. Это входное смещение (input offset voltage) и его температурный дрейф, входной ток (input bias current), разность входных токов (input offset current) и ее дрейф. Эти параметры не важны для готового изделия, но их нужно учитывать конструктору при выборе, напрмер, резисторов ОС.
Еще одним входным параметром является чувствительность. Его обычно приводят в технических характеристиках. Под чувствительностью понимается действующее значение напряжения синусоидального сигнала (номинальное входное), при подаче которого на вход усилителя, он развивает номинальную мощность. Обычно чувствительность УМЗЧ равна примерно 1 В (иногда: 0 дБ — 0.775 В). Для любительской конструкции чувствительность может составлять от 100 мВ до 1 В.
Входное сопротивление — также входной параметр, необходимый для согласования УМЗЧ с предыдущим блоком. Входное сопротивление для транзисторных усилителей с ОС обычно находится в пределах 10 — 47 кОм. Меньшие его значения могут представить трудности по нагрузке для предыдущего устройства, например, предварительного усилителя, а более высокие неудобны из-за возможного влияния наводок, входной емкости (еще один входной параметр, наряду с входным сопротивлением, присущий любому усилителю) и возможного величения шумов. Желательно, чтобы выходное сопротивление предыдущего блока было минимум в 10 раз меньше входного сопротивления УМЗЧ. При этом, желательно, чтобы это выходное сопротивление вместе с последовательно включенными злементами на входе УМЗЧ было оптимальным по шумовым характеристикам по отношению ко входным транзисторам УМЗЧ.

Влияние питания

Влияние питания описывается для ОУ коэффициентом влияния источника питания (power supply rejection ratio — PSRR), который тоже измеряется в децибеллах. Отношение действующего значения гармоник сетевого напряжения к напряжению сигнала, соответствующему номинальной мощности, в децибеллах называется уровнем фона.

Коэффициент подавления синфазного напряжения

Для ОУ коэффициент подавления синфазного напряжения (Common mode rejection ratio CMRR) — это очень важная величина, а для усилителя мощности важно, что низкое значение CMRR служит дополнительным источником интермодуляционных искажений усилителя. Эта величина представляет собой коэффициент усиления ОУ для синфазного напряжения, выраженный в децибеллах.

Достижимые параметры: к чему стремиться?

При конструировании транзисторных усилителей на современной элементной базе легко добиться достаточно высоких параметров. Легко — но за счет усложнения конструкции. Правда, усложнение касается предварительных каскадов, транзисторы для которых достаточно дешевы, поэтому при принятии решения об усложнении схемы необходимо руководствоваться соображениями надежности и понятности принципов ее работы. Например, при моделировании выходного каскада, работающего в режиме без отсечки выходного тока, усилителя Брагина (Радио №12, 90г.) с помощью программы Electronics Workbench (EWB) я столкнулся с фактом, что исходный каскад с отсечкой дает меньшие искажения. Хотя, возможно, программа может иногда давать некорректные результаты.
Я собираюсь здесь написать статейку с примерами о конкретных схемах и достижимых в них парамерах. Но это потом, а пока рассмотрим, чего можно добиться в смысле техничеких характеристик чего стоит добиваться.
На распространенных транзисторах легко можно получить мощность в 100 Вт на 8 Ом. Этого вполне достаточно для дома. Запараллеливанием выходного каскада можно получить 200 — 300 Вт. Большая мощность трудно достижима, т.к. снижается надежность и необходимы хитрые схемы защиты, которые я вообще не рассматриваю.
Частотный диапазон усилителя в режиме малого сигнала без ограничительных цепочек на входе и выходе может составить от постоянного тока до 1 МГц и более, но надо следить за устойчивостью. Это, правда, для усилителя с обратной связью. Без обратной связи большинство усилителей имеют спад АЧХ уже начиная с нескольких килогерц, а должно быть не менее 20 кГц. При этом, нельзя раздувать частоту единичного усиления до бесконечности (даже современные транзисторы имеют ограничения), поэтому нельзя также увеличивать коэффициент усиления без ОС и глубину ОС до бесконечности, а это приводит к противоречию с требованием к снижению нелинейных искажений.
Нелинейные искажения, показанные на рисунке близки к предельно достижимым, но нужно стремиться к тому, чтобы к.н.и. не сильно рос на 20 кГц по сравнению с 1 кГц и при снижении сопротивления нагрузки. Нелинейные искажения снижаются при увеличении глубины обратной связи (ОС), но увеличивать глубину ОС, а, следовательно, и коэффициент усиления до бесконечности нельзя. Поэтому нужно стремиться к большей линейности отдельных каскадов.
Набор транзисторов для входного каскада, от которых зависит уровень шумов, ограничен, поэтому шум можно снизить, меняя режимы, но это не должно приходить в противоречие с другими характеристиками. Уровень шумов в -100 дБ для УМ вполне достойная цифра, но можно получить и -115 дБ.
Что касается скорости нарастания, то доктор Self (см. links: www.dself .demon.co.uk) приводит рекомендацию, что на один вольт максимального выходного напряжения должен приходиться 1.4 В/мкс скорости нарастания. Реально легко можно получить примерно 50 В/мкс. Существует простая формула для максимально необходимой скорости нарастания в завсимости от максимальной частоты воспроизведения и амплитуды выходного напряжения. По этой формуле получаются значительно меньшие значения, чем 1.4 /мкс на вольт выходного напряжения. Но небольшой запас тут не помешает.
Коэффициент демпфировния заявляется многими фирмами (например — Ямахой) в несколько сотен, хотя достаточно 40 — 50. После 100 дальнейшее увеличение этого параметра становится незаметным.
Максимальный выходной ток важен при работе на АС с малым или сильно зависимым от частоты сопротивлением, особенно при воспроизведении басов. Фирма Rotel для одной модели заявляла выходной ток в 100 А. При этом, на нагрузке в 1 Ом такой усилитель должен развивать 100 В напряжения, что соответствует 10 кВт мощности. При этом напряжение питания этого усилителя составляло что-то вольт 60, так что 100 А этот усилитель мог бы развить на нагрузке меньше 0.6 Ом. Короче, тока в 30 А, что соответствует динамической мощности на 1 оме в 900 Вт, вполне достаточно. Трудности возникают в усилителях с выходными каскадами, работающими в режиме А, где трудно обеспечить большой выходной ток, потому что он не может превышать начальный ток выходного каскада. А увеличение последнего приводит к увеличению рассеиваемой мощности, а если для обогревателя 500 Вт — не мощность, для электронного устройства — вполне солидно!
Выше не был упомянут такой параметр, как разделение (стерео) каналов — crosstalk. Для современного усилителя этот параметр не играет большой роли, так как легко достижимы значения более 80 дБ. При этом разделение стереоканалов, обеспечиваемое хорошим стереодекодером радиоприемника, не превышает 40 дБ, а головкой звукоснимателя винилового проигрывателя стоимостью в $500 — 24-36 дБ. да и то на 1 кГц, а на более высоких частотах все гораздо хуже. Правда, компакт диск обеспечивает очень высокое разделение, как и минимум шумов в паузе, но у него много других недостатков.
Заметим, что разделение каналов в основном определяется не схемой, а ее конструктивным исполнением: разводкой земли, экранированием и.т.д.
Необходимо помнить, что все параметры усилителя взаимосвязаны, и за улучшение одного приходится расплачиваться другим. Создать усилитель с максимально высокими характеристиками трудно, но, если вы конструируете вместе с усилителем и акустическую систему, то ее можно сделать активной, применив многополосный усилитель, а полосовые фильтры установить перед усилителями. Тогда требования к усилителю для каждой полосы — существенно ниже. Точно также требования к усилителю для сабвуфера гораздо ниже, чем для усилителя общего применения.

О влиянии параметров на субъективное качество

Существует много исследований о влиянии обЪъективных параметров на звучание и о заметности различных искажений. Например, писали, что для звучания рояля заметны искажения несколько тысячных долей процента, а для скрипки — несколько сотых.
Вообще больше раздражают искажения комбинационные, чем гармонические. Искажения усилителя в режиме АВ растут при снижении мощности, что заметно, т.к. искажения громких сигналов менее заметны. Ведь ухо вносит собственные искажения, растущие с ростом громкости. Поэтому характер искажений усилителя в режиме А более предпочтителен. «Есть мнение», что количество гармоник в искажениях тоже влияет на заметность. Так при одинаковом к.н.и. предпочтителен усилитель, создающий меньшее количество гармоник или амплитуды гармоник у которого быстрее затухают с частотой.


Ответить