Zniekształcenia we wzmacniaczach

POBIERZ ZALACZNIK !! (sa w nim rysunki)

Każdego rodzaju zmiana sygnału w stosunku do oryginału może zostać nazwana zniekształceniem. Wyróżnia się kilka podstawowych rodzajów zniekształceń. Jedne z nich to zniekształcenia liniowe, powodujące zaburzenia charakterystyki amplitudowej i ograniczanie pasma przenoszenia. Zniekształcenia nieliniowe polegają na zjawisku, gdy na wyjściu układu pojawiają się składniki, których nie było na wejściu układu. Jeśli do idealnego wzmacniacza dostarczymy sygnał sterujący będący czystą sinusoidą o częstotliwości np. 1kHz, to na wyjściu powinniśmy dostać odpowiednio wzmocniony sygnał, będący również czystą sinusoidą o częstotliwości 1kHz. Niestety, sinusoida zostaje zniekształcona, a wskutek tego w spektrum częstotliwości widzimy nie tylko częstotliwość 1kHz, ale wiele innych, wyższych częstotliwości - harmonicznych. Częstotliwości, które są parzystymi wielokrotnościami tonu podstawowego (2kHz, 4kHz, itd.), są parzystymi harmonicznymi, (3kHz, 5kHz, itd.) - nieparzystymi harmonicznymi. Wszystkie harmoniczne - parzyste i nieparzyste, składają się na parametr THD (total harmonic distortion - całkowite zniekształcenia harmoniczne), który podawany jest przez producentów w procentach - jest to procent względem tonu podstawowego. Oczywiście, im niższy procent, tym lepiej, jednak parametr ten nie określa dokładnie subiektywnie odbieranej jakości dźwięku. Ważny jest rozkład zniekształceń, proporcje między harmonicznymi parzystymi i nieparzystymi. Słuch ludzki lepiej toleruje parzyste harmoniczne, ponieważ są one naturalnym składnikiem brzmienia instrumentów muzycznych (np. pojedynczy ton fortepianu nie jest czystą sinusoidą, ale poza tonem podstawowym zawiera wiele towarzyszących, choć w mniejszym natężeniu, tonów harmonicznych, które decydują o charakterystycznym brzmieniu tego instrumentów, pozwalającym odróżnić go od innych instrumentów, które mają swój własny rozkład harmonicznych). Zwiększenie zawartości parzystych harmonicznych zmienia rzecz jasna prawdziwe brzmienie odtwarzanego instrumentu, ale nie jest to rażące dla ucha. Natomiast pojawienie się nieparzystych harmonicznych, które są znacznie rzadsze w brzmieniu instrumentów, jest odbierane przez słuch jako wyraźne nieczystości i \"metaliczność\" brzmienia. Tym tłumaczy się fakt, że wiele urządzeń o wysokiej zawartości THD brzmi lepiej od innych, o niższym ich procencie - jeśli te drugie mają znaczną przewagę nieparzystych harmonicznych.


WPROWADZENIE

Wzmacniacz jest urządzeniem elektronicznym, w którym napięcie ( lub moc) wyjściowe sygnału jest większe od napięcia ( mocy) wejściowego, potrzebnego do jego sterowania. Zwiększenie ( wzmocnienie ) napięcia ( lub mocy ) odbywa się kosztem energii elektrycznej dostarczanej z źródła napięcia stałego. Wzmacniacz jest tak zaprojektowany,
aby wzmacniał sygnały w wybranym paśmie częstotliwości.
Dla wzmacnianego sygnału układ wzmacniacza stanowi czwórnik ( rys.1 ).




Rys.1: Ogólny schemat wzmacniacza



Do zacisków wejściowych wzmacniacza dołączone zostaje źródło sygnału eg o impedancji Zg ,
a do zacisków wyjściowych – impedancja obciążenia Z o .Napięcie wyjściowe U wy i prąd wyjściowy I wy są powiązane z napięciem wejściowym U we i prądem wejściowym I we zależnościami :
U wy = Ku U we
I wy = Ki I we

Współczynniki Ku i Ki nazywane są odpowiednio współczynnikami wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia prądowego lub w skrócie wzmocnieniem napięciowym lub
prądowym. Oba współczynniki w ogólnym przypadku są wielkościami zespolonymi.
Wzmocnienie napięciowe, prądowe czy mocy wzmacniaczy często określa się w decybelach
( dB ). Wówczas:






W zależności od przeznaczenia wymaga się od wzmacniacza dużego wzmocnienia napięciowego, prądowego lub mocy.
Wzmacniacz wzmacniając sygnały wejściowe, nie powinien powodować zmiany ich kształtu. Jednak w wzmacniaczach rzeczywistych powstają m.in. dwojakiego rodzaju zniekształcenia sygnałów:

1. Zniekształcenia nieliniowe – polegają na powstawaniu sygnału o częstotliwościach harmonicznych i kombinowanych. Sygnał na wyjściu urządzenia zawiera dodatkowe składowe, których nie było w sygnale wejściowym. Przyczyną powstawania zniekształceń nieliniowych są nieliniowe zależności prądowo-napięciowe elementów ( tranzystorów, diod, lamp). W wyniku oddziaływania sygnału na element nieliniowy sygnał ulega zniekształceniu, np. obcięcie części wierzchołków sygnału sinusoidalnego. Na wejściu wzmacniacza otrzymuje się tym większe zniekształcenie napięcia im większe są amplitudy poszczególnych harmonicznych. Wartość zniekształceń nieliniowych wzmacniacza, do wejścia którego doprowadzamy napięcie sinusoidalne, określa tzw. Współczynnik zawartości harmonicznych. Zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza akustycznego, jeśli nie przekraczają 10%, są praktycznie niezauważalne przez słuchającego.
Wywołane są przez nieliniowość charakterystyk statycznych niektórych elementów wzmacniacza ( tranzystora, transformatora z rdzeniem itp.) oraz szumy i zakłócenia. W wyniku nieliniowości elementów wzmacniacza, zależność między napięciem ( lub prądem) wejściowym i wyjściowym nazywana charakterystyką przenoszenia lub liniowości nie jest liniowa ( rys.2).













Rys.2: Charakterystyka przejściowa ( liniowości) wzmacniacza.


W obszarze sygnałów o małej amplitudzie (Uwe ≤ Uwe max ) charakterystyka wykazuje prostoliniową zależność, ulega zakrzywieniu w miarę wzrostu amplitudy sygnału wejściowego. Im silniejsze zakrzywienie charakterystyki, tym większe zniekształcenia sygnału wyjściowego powoduje wzmacniacz.
W każdym wzmacniaczu pojawiają się pewne napięcia zmienne niezależne od sygnału, są to szumy powodowane np. przez pracujące elementy półprzewodnikowe
i rezystancyjne oraz tętnienia napięcia spowodowane niedoskonałą filtracją źródeł zasilania. Poziom szumów i zakłóceń ogranicza możliwości wzmacniania sygnałów użytecznych o bardzo małej amplitudzie, gdyż te powinny posiadać amplitudę znacznie większą. Ze względu na powyższe zjawiska rzeczywista charakterystyka liniowości nie rozpoczyna się w początku układu współrzędnych.
Zniekształcenia nieliniowe występują zarówno przy wzmacnianiu sygnałów stałych , jak i zmiennych. W konsekwencji napięcie ( prąd ) wyjściowe zawiera oprócz harmonicznej podstawowej, również składowe nieistniejące w sygnale wejściowym . Ocena następstw zniekształcenia nieliniowego polega na pomierzeniu i porównaniu wartości skutecznych amplitud przebiegów o niepożądanych częstotliwościach z wartością skuteczną całego przebiegu, tj. napięcia podstawowej i niepożądanych harmonicznych.






Wyraża ją liczbowo współczynnik zawartości harmonicznych :





Przy czym symbole Uwy 1, Uwy 2 , U wy 3 ... itd. oznaczają wartości skuteczne poszczególnych harmonicznych napięcia wyjściowego.



2. Zniekształcenia liniowe, są wywołane niejednakowym przenoszeniem przez wzmacniacz sygnałów wejściowych o różnych częstotliwościach. Zależność modułu wzmocnienia od częstotliwości określa charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa.














Rys.3 : Przykładowa charakterystyka amplitudowa – częstotliwościowa wzmacniacza



Przy określonej częstotliwości lub w określonym paśmie ma ona maksimum równe Kum . Dwie częstotliwości, przy których wzmocnienie ulega zmniejszeniu są nazywane częstotliwościami granicznymi dolną fd i górną fg .We wzmacniaczach elektronicznych jako typowe przyjęto określać je przy zmniejszeniu wzmocnienia do wartości Kum / ( w mierze logarytmicznej odpowiada to wartości – minus 3 dB). Malenie wzmocnienia przy małych częstotliwościach powodowane jest wzrostem reaktancji kondensatorów sprzęgających
i emiterowych wzmacniacza. W zakresie dużych częstotliwości charakterystyka opada ze względu na malenie ze wzrostem częstotliwości wzmocnienia tranzystorów, a także z powodu istnienia w układzie pojemności montażowych i pasożytniczych. W środkowej części charakterystyki wzmocnienie praktycznie nie zależy od częstotliwości. W tym przedziale zmian częstotliwości nazywanym zwyczajowo zakresem średnich częstotliwości, można traktować wzmacniacz jako układ bez ograniczeń częstotliwościowych.
Układ wzmacniacza powinien posiadać parametry dopasowane do źródła sygnału oraz do obciążenia.Od wzmacniacza napięciowego wymaga się dużej impedancji wejściowej i małej impedancji wyjściowej, dla prądowego – małej impedancji wejściowej i dużej wyjściowej.
W sposób praktyczny parametry wzmacniacza kształtowane są przez sprzężenie zwrotne, zwykle ujemne. Sprzężenie takie polega na przekazywaniu części sygnału wyjściowego ( napięciowego lub prądowego) z wyjścia układu na jego wejście. Sprzężenie zwrotne, oprócz kształtowania charakterystyki przejściowej zmniejsza m.in. zniekształcenia, zakłócenia i szumy własne, kształtuje charakterystykę częstotliwościową, impedancję wejściową
i wyjściową, poprawia stałość parametrów i stabilność pracy wzmacniacza.

Możemy je podzielić również na:
- zniekształcenia tłumione ( częstotliwościowe),
- zniekształcenia fazowe.
Występują najczęściej w torach przewodowych.
Zniekształcenia tłumieniowe i fazowe
Transmisji sygnału torem przewodowym towarzyszą straty energii elektromagnetycznej sygnału. Część tej
energii ulega zamianie na ciepło, zarówno w materiale przewodzącym żył i ekranów, jak też w izolacji toru
(straty dielektryczne). W rezultacie, amplituda sygnału zmniejsza się systematycznie ze wzrostem
odległości od źródła sygnału dołączonego do toru, co oznacza tłumienie sygnału. Miarą tego zjawiska jest
tłumienność falowa toru (termin angielski: attenuation loss), określona przez stosunek amplitud sygnału
na początku i na końcu toru w stanie dopasowania falowego (impedancja wejściowa odbiornika dołączonego
do końca toru musi być równa impedancji falowej toru) zgodnie z zależnością:


Sygnał analogowy, a także każdy sygnał cyfrowy, jest paczką fal sinusoidalnych o różnych częstotliwościach,
nazywanych składowymi harmonicznymi. Bezbłędna transmisja sygnału analogowego polega na przesłaniu
na odległość wszystkich jego składowych, bez zmiany proporcji ich amplitud i z jednakowym opóźnieniem.
Nie jest to jednak wykonalne, ponieważ zarówno tłumienie jak i opóźnienia sygnału w fizycznie realizowalnych
torach transmisyjnych zależą od częstotliwości - straty energii sygnału w materiale przewodzącym są
w przybliżeniu, proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z częstotliwości sygnału, a straty dielektryczne
rosną proporcjonalnie do częstotliwości. Wyższe harmoniczne sygnału docierają do końca toru z tym
mniejszą amplitudą, im wyższa jest ich częstotliwość. Zmienia to kształt sygnału, w porównaniu z jego
kształtem pierwotnym na początku toru. Przesyłany torem przewodowym sygnał ulega zatem
zniekształceniom tłumieniowym, które mogą być eliminowane za pomocą kosztownych układów korekcji.
Opóźnienie sygnału sinusoidalnego również zależy od częstotliwości i zmniejsza się z jej wzrostem.
Składowe sygnału o większych częstotliwościach docierają do końca toru szybciej (a więc z inną fazą) niż
składowe o mniejszych częstotliwościach. W konsekwencji następuje zmiana kształtu sygnału, czyli
wprowadzone zostają zniekształcenia fazowe (opóźnieniowe) . Jednakże zmiany te są o rząd wielkości
mniejsze od zniekształceń tłumieniowych. Przykładowo, sygnał o kształcie impulsu prostokątnego nadany
na początku toru, przyjmuje kształt zbliżony do przekroju dzwonu, po dotarciu do końca bardzo długiego toru.
Przy transmisji sygnału cyfrowego, będącego ciągiem impulsów podlegających detekcji zerojedynkowej
na końcu toru, zmiany kształtu impulsów powodowane są zarówno przez zniekształcenia tłumieniowe,
jak i przez zniekształcenia fazowe. Zmiany kształtu nie mają wpływu na jakość transmisji pod warunkiem,
że odbierane na końcu toru impulsy nie są na tyle \"rozmyte\", by mogły zmienić wartości sąsiednich bitów.