Zaloguj
Pomiar wzmacniacza mocy
Za pomocą naszego układu możemy zmierzyć zniekształcenia dowolnego wzmacniacza mocy z podłączonym sztucznym obciążeniem. Zazwyczaj zniekształcenia harmoniczne wzmacniacza półprzewodnikowego powinny maleć wraz ze wzrostem wydzielanej mocy – aż do osiągnięcia mocy maksymalnej, co z kolei powoduje ich gwałtowne zwiększenie. Można wykonać szereg pomiarów przy różnych poziomach mocy wyjściowej – w tym przy jej maksymalnej wartości, przy której zniekształcenia nie przekraczają założonego progu. Jak już wspomniałem, taki pomiar mocy jest o wiele dokładniejszy od pomiaru polegającego na obserwacji początku obcinania wierzchołków sinusoidy na ekranie oscyloskopu. Zazwyczaj moc dobrych wzmacniaczy podaje się dla THD+N nie większego niż 1%.
Zniekształcenia wzmacniacza określa się też dla wybranej małej mocy, na przykład 1, 2 czy 5 W. Jest to moc wydzielana przy normalnym odsłuchu w warunkach domowych – właśnie dlatego zniekształcenia przy niskich wartościach tego parametru okazują się dość istotne.
Do testów użyłem prostego wzmacniacza o mocy około 2×15 W, zbudowanego na bazie układu scalonego LM1876 cenionej serii Overture. Rodzina scalonych wzmacniaczy mocy Overture została zaprojektowana wiele lat temu przez firmę National Semiconductor. Po przejęciu National Semiconductor przez Texas Instruments jest produkowana do dziś.
Pierwszy pomiar wykonamy po obciążeniu jednego kanału mocą 2 W. Do wyjścia wzmacniacza dołączamy sztuczne obciążenie o rezystancji 8 Ω i mocy 100 W, takie jak na rysunku 1. Równolegle do wspomnianego rezystora podłączamy sondę oscyloskopu lub miernik true RMS, mierzący poprawnie sygnał o częstotliwości 1 kHz. Na wejście wzmacniacza dołączamy sygnał symetryczny z wyjścia karty, na tym etapie nie podłączamy jednak jeszcze jej wejścia. Po włączeniu wzmacniacza i uruchomieniu generatora w programie REW ustawiamy potencjometrem wzmacniacza sygnał na jego wyjściu (na rezystorze 8 Ω) na wartość RMS ok. 4 V. Moc wydzielana na wyjściu wzmacniacza przy obciążeniu 8 Ω będzie wynosiła 2 waty, ponieważ P=U²/R=16 V²/8 Ω=2 W.
Teraz podłączamy oscyloskop lub miernik na wyjście potencjometru układu sztucznego obciążenia i ustawiamy potencjometrem na przykład 0,7 V (RMS). Podłączamy to wyjście do wejścia karty i w tym momencie jesteśmy już gotowi do wykonania pomiaru. Wynik testu w opisanej konfiguracji został pokazany na rysunku 25.
Już na pierwszy rzut oka widać, że coś prezentuje się nie do końca tak, jak powinno. THD na poziomie 0,0083% to nawet niezły wynik, ale THD+N równe 0,39% dla 2 W jest wynikiem niepokojącym, podobnie jak wykres: widać dość silną składową 50 Hz. Może ona pochodzić z niezbyt dobrze filtrowanego napięcia sieci, braku ekranowania (tworzywowa obudowa) czy pewnych problemów z masą. Jednak w takim przypadku może się pojawić harmoniczna 100 Hz i ewentualnie 150 Hz. Tutaj mamy szereg dość dużych składowych, stanowiących wielokrotność 50 Hz, a dokładniej: sięgających poza 1 kHz. Opisana sytuacja wskazywałaby na problem ze wzbudzeniem wywołanym (być może) pętlą masy. Przy okazji omawiania układu pomiarowego (rysunek 3) wspomniałem, że dla układów z wejściem asymetrycznym (SE) wyjście generatora powinno być również asymetryczne, bo mogą pojawić się właśnie problemy z pętlą masy. Pomiar pokazany na rysunku 25 sugeruje, że możemy mieć tu do czynienia właśnie z problematycznym układem pomiarowym, a konkretnie ze zbalansowanym wyjściem generatora. Nie stanowi to reguły (istnieją wzmacniacze, które tak nie reagują), ale problem okazuje się realny. Żeby przekonać się, czy faktycznie jest to kwestia niestabilnie pracującego wzmacniacza, czy raczej układu pomiarowego, spróbujemy zastosować wyjściowy sygnał asymetryczny. W naszej karcie dysponujemy bowiem także takim sygnałem o katalogowo równie dobrych parametrach THD: jest to wyjście słuchawkowe o regulowanym poziomie wyjściowym. Po wykonaniu odpowiedniego kabla i zapętleniu wejścia ze wspomnianym wyjściem trzeba ponownie skalibrować kartę. Kalibracja wykazała trochę gorsze parametry – w tym większą nierównomierność pasma przenoszenia. Pomiar THD+N w takiej konfiguracji wypadł również nieco gorzej, bo zamiast THD+N=0,0022%, zmierzono THD+N=0,0032%. Ta różnica nie powinna jednak znacząco wpłynąć na nasze pomiary.
Powtórny pomiar wykonujemy identycznie, tak samo regulujemy poziom sygnału wejściowego, by moc wzmacniacza miała wartość 2 W. Wynik pomiaru został pokazany na rysunku 26. Mamy tu również składową 50 Hz na poziomie ok. –85 dBFS, czyli ok. 15 dBFS mniejszą niż w poprzednim pomiarze.
Pozostałe wielokrotności 50 Hz są zdecydowanie mniejsze. Mimo to wciąż mamy tutaj pole do poprawy – być może wystarczy zmiana prowadzenia okablowania, a może należałoby zmodyfikować projekt płytki? Jeżeli zamiast skali dBFS wybierzemy skalę w woltach, wówczas jesteśmy w stanie określić, jaką amplitudę będzie miała składowa 50 Hz – rysunek 27.
Dla sygnału 1 kHz na poziomie 4 V (RMS) składowa 50 Hz ma wartość RMS ok. 850 μV. Ten parametr pokazuje skalę wspomnianego wcześniej zakłócenia: jego efekt w żadnym razie nie powinien być słyszalny w postaci brumu.
Zmierzona przez nas wartość THD+N to 0,02%. Wynik dobry, a w przypadku tej klasy wzmacniaczy wręcz bardzo dobry. Zobaczmy, jakie parametry podaje producent. W danych katalogowych znajdziemy wykres THD+N w funkcji mocy wyjściowej – pokazany na rysunku 28.
Małymi kwadratami zaznaczyłem:
- Zniekształcenia przy 2 W podane przez producenta układu THD+N: 0,007%,
- Zniekształcenia przy 2 W zmierzone w moim wzmacniaczu: 0,02%.
Skąd te różnice? Przyczyn może być wiele. Pierwsza, która przychodzi na myśl, to implementacja układu, czyli nie do końca prawidłowy projekt PCB, niedostateczna jakość elementów oraz środowiska pomiarowego. Mogą to być kable, styki, a nawet drobne indukcyjności w rezystorze obciążenia.
Przypomnijmy, że karta wnosi zniekształcenia na poziomie 0,003%. Jedną z przyczyn dużego rozrzutu wyników może być też zbyt optymistyczne podawanie parametrów w danych katalogowych, zmierzonych w niemal idealnej implementacji pomiarowej, niemożliwej do odtworzenia w rzeczywistym wzmacniaczu. Czy należy się tą kwestią mocno przejmować? Jeżeli mamy czas, możliwości i determinację, wówczas możemy próbować uzyskać lepsze wyniki przez kolejne iteracje projektów PCB i/lub dobieranie elementów. Z mojego punktu widzenia wyniki: THD=0,0036% i THD+N=0,020%, są i tak lepsze od oczekiwanych. Poza tym pomiar zniekształceń THD+N jest jednym z wielu parametrów i można byłoby wskazać także inne zniekształcenia równie (a nawet bardziej) istotne.
Co jeszcze możemy wyczytać z naszych pomiarów? Coś, co może okazać się ważne dla brzmienia naszego wzmacniacza. Popatrzmy na rozkład harmonicznych – rysunek 29.
Widać tu wyraźną dominację parzystych harmonicznych, co w przypadku układów wzmacniaczy audio jest pożądane. Przyjmuje się, że brzmienie wzmacniacza, który ma dominację parzystych harmonicznych, jest naturalniejsze i cieplejsze. Tak dzieje się we wzmacniaczach lampowych SE, uznawanych przez wielu za najlepiej brzmiące. Podobnie bywa (choć nie jest to regułą) we wzmacniaczach lampowych push-pull klasy AB, pracujących z małymi mocami, z kolei we wzmacniaczach tranzystorowych bywa z tym różnie. Widać, że konstruktorzy układu LM1876 postarali się, aby układ mógł brzmieć dobrze.
I rzeczywiście: wzmacniacze scalone serii Overture są do dzisiaj cenione i używane, a kiedyś stosowano je nawet w kultowej konstrukcji Gain Clone. Jednym z lepszych modeli jest LM3886 – o sporej mocy (max. 68 W), dobrym brzmieniu i łatwej implementacji (na pewno łatwiejszej w porównaniu ze wzmacniaczami wyposażonymi w tranzystory mocy).
Pomiary rozkładu harmonicznych mogą być wskazówką projektową dla konstruktorów wzmacniaczy akustycznych. Na podstawie tej informacji jesteśmy w stanie podjąć próbę, by w jakiś sposób kształtować brzmienie układu.
Pomiary THD+N można wykonać przy kilku różnych mocach wyjściowych, żeby zobaczyć, czy wzmacniacz pracuje poprawnie na przykład w pobliżu maksymalnej mocy wyjściowej. Dobrze byłoby obciążać w trakcie pomiaru oba kanały stereo – wtedy pomiar jest bliższy rzeczywistości. Zasada ta nie dotyczy oczywiście układów dual mono.
Inne pomiary THD
Wykonaliśmy najbardziej podstawowy pomiar THD+N z użyciem pojedynczego tonu 1 kHz, jednak wzmacniacz pracuje w pasmie akustycznym standardowo od 20 Hz do 20 kHz. Dobrze byłoby zobaczyć, jak wyglądają zniekształcenia THD w funkcji częstotliwości. W danych katalogowych układu znajduje się wykres zniekształceń w funkcji mocy dla częstotliwości 20 Hz i drugi – dla 20 kHz, czyli na krańcach pasma. Na rysunku 30 pokazano wykres dla częstotliwości 20 kHz: wynika z niego, że zniekształcenia dla 2 W mają wartość ponad 0,02%.
Z pomiarem zniekształceń dla 20 kHz jest jednak problem. Układ pomiarowy musi dysponować takim pasmem, by zmierzyć przynajmniej 3...4 harmoniczne, ostatecznie drugą i trzecią. Dla 20 kHz czwarta harmoniczna to 80 kHz. Przy próbkowaniu 192 kHz pasmo wynosi 96 kHz. Ograniczenie układu pomiarowego nie pozwoli wykonać tego pomiaru w takich samych warunkach dla całego pasma akustycznego.
REW umożliwia automatyczne mierzenie zniekształceń w funkcji częstotliwości. W oknie RTA wybieramy przycisk Stepped sine i – w okienku – Test THD vs frequency. Pomiar następuje automatycznie, a na wykresie jest wyświetlany poziom THD (w dBFS) oraz drugiej i trzeciej harmonicznej (również w dBFS).
Można ponadto taki pomiar wykonać ręcznie dla dowolnie wybranych częstotliwości pasma. W tym celu ustawiamy w oknie generatora wybraną częstotliwość i mierzymy zniekształcenia zgodnie z procedurą opisaną dla 1 kHz. Otrzymujemy wówczas pomiary w procentach: THD, THD+N, a także składowe harmoniczne przy każdej wybranej częstotliwości. Możemy również dla każdego pomiaru ustawiać pasmo pomiarowe. Żeby wyniki były dokładniejsze, powinno się dla każdej częstotliwości zmierzyć THD samej karty oraz – ewentualnie – oszacować jej wpływ. Moja karta przy zapętleniu wejścia z wyjściem symetrycznym ma w całym mierzonym paśmie niskie, porównywalne zniekształcenia. Niestety – mimo usilnych prób, sterowanie wejściom wzmacniacza wprost z wyjścia symetrycznego powodowało problemy z masą i wzbudzeniem, a pomiary były zafałszowane (zbyt wysokie THD +N). Zapętlenie z wyjściem słuchawkowym powodowało nieznaczne, ale wyraźne zwiększanie THD dla niskich częstotliwości.
Pomimo to zmierzyłem THD i THD+N dla kilku częstotliwości oraz mocy wyjściowej 2 W. W przypadku pomiarów od 50 Hz do 10 kHz ustawiłem pasmo pomiarowe 20...44 kHz. Dla częstotliwości 15 kHz i 20 kHz ograniczanie pasma zostało wyłączone i pomiar mieścił się w zakresie do 96 kHz – tak by zmierzyć przynajmniej 4 harmoniczne. Ale, jak wiemy, takie pasmo widocznie zwiększa szum. Wszystko to razem sprawia, że pomiar THD i THD+N w funkcji częstotliwości w całym paśmie nie będzie tak dokładny, jak pomiar przy częstotliwości testowej 1 kHz.
Wyniki pomiarów zostały pokazane w tabeli 1.
Zastosujemy teraz funkcję stepped sine i zmierzymy najpierw zapętlona kartę, a potem wzmacniacz pracujący z mocą 2 W i w paśmie pomiarowym 20 Hz...44 kHz. Na rysunku 31 pokazano charakterystykę zapętlonej karty, a na rysunku 32 – charakterystykę pracującego wzmacniacza.
Jak widać, wykres THD+N wzmacniacza podąża za wykresem karty. W danych katalogowych możemy znaleźć wykres zależności THD+N w funkcji częstotliwości – rysunek 33.
Widać tu wyraźny wzrost dla częstotliwości powyżej 2 kHz. Nasze pomiary niezbyt się z tym zgadzają, bo sam pomiar karty wykazuje większe zniekształcenia dla niskich częstotliwości, które nakładają się na pomiar wzmacniacza.
W opisanej konfiguracji pomiarowej i z tym konkretnym wzmacniaczem chyba nic innego nie jesteśmy w stanie zrobić. Na pokazanych wykresach widać jeszcze jedną ciekawą zależność: kolorem czerwonym zaznaczony został przebieg drugiej harmonicznej. Po przejściu przez wzmacniacz dominacja tej harmonicznej nad trzecią jest wyraźniejsza i zaczyna się wcześniej niż w samej karcie. Być może układ wzmacniacza był korygowany tak, by lepiej brzmiał.
Jeżeli weźmiemy poprawkę na wyniki zarejestrowane podczas badania samej karty zapętlonej z wejściem słuchawkowym i szumów w szerszym paśmie pomiarowym dla 15 kHz i 20 kHz, można stwierdzić, że jest nieźle i układ LM1876 został bardzo dobrze zaprojektowany. Nasza obserwacja wskazuje, że musimy być świadomi ograniczeń i nie powinniśmy bezkrytycznie patrzeć na wyświetlane wyniki pomiarów.
W kolejnym odcinku naszego cyklu przejdziemy do tematyki pomiarów zniekształceń intermodulacyjnych, maksymalnej mocy wyjściowej oraz zniekształceń dynamicznych.
Tomasz Jabłoński, EP
