усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте K к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:

М = К/К6.

В логарифмических единицах он равен GrnB]=201gM.

Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (на рис. 4 от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней f и верхней fB граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения GдOП относительно коэффициента усиления на средних частотах. Область частот от до fB - рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.

Коэффициенты частотных искажений на низших Gh и высших Gb частотах:

Он = 20 lg [К (У/Ко], Gb = 20 Ig [K (Тв)/Ко]

В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах:

Goblu=Gi + &2+- + Gn-

5-гщ<к/к<,),д8 *

о

10 ZO 50 № 230 5QQ 10s 2-Ю* 5-ГО* 2-1044-W4 ?,ГЦ

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ

Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь идеально плоскую АЧХ.

На практике усилители 34, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя 34 для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388 - 80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5... 1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.

Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот - емкостью разделительных и блокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада» либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых частот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20... 100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.

Для борьбы с этими явлениями на входе усилителя включают специальные низкочастотные и высокочастотные фильтры. Этим обеспечивается эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сигналов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сигнала. Оптимальная крутизна спада у таких фильтров - 12 дБ на октаву. Фильтры часто делают переключаемыми, что позволяет выбирать ширину воспроизводимых частот в соответствии с качеством музыкальной программы. Искусственно ограничивать полосы отдельных ФУ, особенно усилителей мощности, нецелесообразно, так как это приведет к увеличению линейных искажений, особенно фазо-частотныя и переходных.

Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается его форма. В качестве примера рассмотрим гармонический сигнал, состоящий из основной и третьей гармоник (рис. 5, а). Если в результате прохождения через усилитель третья гармоника получит сдвиг на 90° по отношению к первой, то, как видно из рис. 5,6, форма сигнала изменится. Если же и первая гармоника будет иметь сдвиг фазы 30° (рио. 5, в), то сигнал только сдвинется во времени, но форма его не изменится.

Фазо-частотные искажения будут отсутствовать, когда усилитель на всех частотах полосы пропускания не вносит фазовых сдвигов и если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, пропорционален частоте сигнала.

Рис. 5. Искажения формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его составляющих

Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазо-частотной характеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дф выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.

Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При ДФ>0 выходное напряжение опережает входное, при Дф<0 - отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:

Дф(т)= - 2п1з(т - fo),

где ta - групповое время запаздывания.

Групповое время запаздывания представляет собой производную по частоте ФЧХ, т. е. t3=dф>(t)/(2пdf). При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время ta, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейна, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.

Количественной оценкой фазовых искажений служит нелинейность ФЧХ реального усилителя, равная разности между реальной ФЧХ усилителя и аппроксимирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот. Аппроксимировать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрезками (на рис. 6 отмечены цифрами 1, 2, 3).

Принято считать, что в широком диапазоне звуков человеческое ухо не реагирует на изменение фазовых соотношений между отдельными гармоническими составляющими спектра сигнала. Отчасти это верно при монофоническом воспроизведении. Однако в высококачественных стереофонических и особенно в квадрафонических системах фазо-частотные искажения существенно влияют на верность воспроизведения музыкальной программы, поэтому эти искажения должны быть нормированы. Следует отметить, что в активных псевдоквадрафонических системах эффект объемности звукового образа достигается формированием специальных фазовых характеристик усилителей тыловых каналов.

Рис. 6. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ

По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дфн и высшей Дфв частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В высококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения бф в рабочем диапазоне частот не должны превышать 4... 5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовой характеристики в пределах рабочего диапазона была меньше 2°, полосу пропускания усилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т. е. для усилителей высококачественного звуковоспроизведения, имеющих исчезающе малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8...

50 000 Гц.

Как отмечалось, реальный звуковой сигнал имеет сложную импульсную форму. В высококачественных усилителях требуется высокая верность сохранения формы входного сигнала. Изменение формы сигнала на выходе усилителя зависит как от амплитудно-частотных, так и фазо-частотных искажений. Ожидаемое изменение формы сигнала может быть легко определено анализом переходных процессов в цепях усилителя, обусловленных наличием реактивных элементов. Поэтому для количественной оценки искажений из-за переходных процессов, приводящих к изменению формы сигнала, удобно проанализировать переходную характеристику (ПХ) усилителя.

Переходная характеристика есть реакция h(t) усилителя на воздействие единичной функции 1 (t) (рис. 7) и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя ивых(1) от времени при скачкообразном изменении напряжения на входе усилителя. Переходные искажения оцениваются искажениями

фронта и плоской вершины импульса. Обычно в усилителях 34 искажения плоской вершины импульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями в низкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХ усилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности 1ф и выбросу бф (см. рис. 7). Они приводят к динамическим искажениям, которые проявляются в виде завала фронта резких перепадов уровня реального музыкального сигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-за запаздывания сигнала отрицательной обратной связи (ООС). Для уменьшения динамических искажений обычно повышают быстродействие усилителя и уменьшают глубину ООС.

Рис. 7. Переходная характеристика усилителя ЗЧ

Быстродействие усилителя можно оценить как по длительности фронта, так и по полосе пропускания или максимальной скорости нарастания выходного сигнала umax. Максимальная скорость нарастания для линейных систем связана с полосой пропускания (ее верхней границей) соотношением:

итах - 2 п тах U0 mах,

где гтах - максимальная частота, передаваемая усилителем без искажений; ио тах - максимальная неискаженная амплитуда выходного синусоидального сигнала.

Однако оконечный усилитель очень редко можно считать достаточно близким к линейной системе, особенно на высоких частотах, поэтому ытах для усилителей мощности 34 оценивают по ПХ.

Значение «тах определяют по ПХ (см. рис. 7) как максимальную производную h (t), т. е.

Чем больше скорость нарастания выходного напряжения, тем качественнее воспроизводится звуковая панорама. Характерное значение umax для высококачественных усилителей мощности составляет 8... 80 В/мкс. Именно такие усилители получают высокую оценку со стороны экспертов при определении качества звуковоспроизведения [2].

Выброс фронта бф (см. рис. 7) есть относительная разность между максимальным значением выходного напряжения Umax и его установившимся значением Uy:

«ф= U™f-U* .100%.

Наличие выброса в ПХ приводит к «звонам», к «металлическому» звуку. В высококачественных усилителях выброс бф не должен превышать 4... 6%.

Между АЧХ, ФЧХ и ПХ усилителя существует сложная зависимость, связанная с тем, что все три характеристики обусловлены наличием одних и тех же реактивных элементов. Однако существующие графические методы, позволяющие по известным АЧХ и ФЧХ определить ПХ, довольно громоздки и не наглядны. На практике проще получить ПХ на экране осциллографа, при необходимости подкорректировать ее и оценить параметры.

Нелинейные искажения вызваны прохождением сигнала через элементы, имеющие нелинейные характеристики, например, через транзисторы, вследствие чего искажается форма колебания и меняется его спектральный состав. Поскольку усилитель вносит нелинейные искажения, то на его выходе появляются новые компоненты (гармоники), отсутствующие на входе, что вызывает искажение тембра звука. Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник Кг:

где Рг - суммарная мощность гармоник; pi - мощность полезного сигнала.

Из всех гармоник наиболее интенсивны вторая и третья. Остальные имеют гораздо меньшую мощность и

мало влияют на форму выходного сигнала.

Коэффициент гармоник многокаскадного усилителя обычно близок к сумме коэффициентов гармоник

отдельных каскадов. Поэтому если нелинейные искажения в предварительных каскадах соизмеримы с

искажениями в оконечном каскаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле: