Zaloguj
Pomiary zniekształceń intermodulacyjnych
Zwykły pomiar zniekształceń harmonicznych wytwarzanych przez jednotonowe fale sinusoidalne, nawet o różnych częstotliwościach, nie dostarcza wielu informacji wymaganych do oceny potencjalnej jakości wzmacniacza. Układ powinno się też oceniać pod kątem zniekształceń intermodulacyjnych (IMD) wytwarzanych po podaniu na wejście jednocześnie dwóch lub więcej określonych tonów. Co prawda tego typu zniekształcenia są badane głównie w kanałach komunikacyjnych wielkiej częstotliwości, bo tam stają się bardzo uciążliwe, jednak testowanie wzmacniaczy audio jest również praktykowane i użyteczne.
IMD powstaje, gdy dwa lub więcej tonów audio intermoduluje ze sobą w urządzeniu nieliniowym, tworząc niepożądane nowe tony. Podstawowym mechanizmem wytwarzającym IMD w większości urządzeń jest AM (modulacja amplitudy), która tworzy wstęgi boczne, stanowiące sumę i różnicę częstotliwości oryginalnych tonów audio. Na przykład, jeśli tony audio o częstotliwościach 2 kHz i 7 kHz przechodzą przez urządzenie nieliniowe i ulegną zniekształceniom intermodulacyjnym AM, sygnał wyjściowy będzie zawierał nowe tony (produkty modulacji) przy 9 kHz (suma tonów) i przy 5 kHz (różnica tonów).
Produkty modulacyjne mogą również intermodulować ze sobą i z oryginalnym sygnałem audio, tworząc jeszcze więcej produktów modulacji.
Na rysunku 35 pokazano, jak powstają zakłócenia intermodulacyjne z dwóch tonów podstawowych o częstotliwościach f1 i f2. Najbardziej niepożądane są sygnały IMD 3. rzędu o częstotliwościach 2f1–f2 i 2f1–f1, bo znajdują się zawsze w paśmie użytecznym i nie można ich odfiltrować.
Pomiar zniekształceń IMD zaczynamy od ustawienia generatora, tak by generował odpowiedni sygnał dwutonowy. W tym celu klikamy zakładkę Multitone, a potem Dual Tones – rysunek 36.
Można tu wybrać kilka standardów częstotliwości oraz stosunku amplitud. Jedną z najbardziej znanych i chyba najstarszą jest metoda SMPTE. Sygnał testowy składa się z tonów o niskiej częstotliwości (zwykle 60 Hz) i wysokiej częstotliwości (zwykle 7 kHz), zsumowanych razem w stosunku amplitudy 4 do 1.
Inne współczynniki amplitudy i częstotliwości (np. DIN 250 Hz + 8 kHz) są używane sporadycznie. Sygnał SMPTE jest podawany do testowanego urządzenia, a sygnał wyjściowy bada się pod kątem modulacji składowej o górnej częstotliwości przez ton niskiej częstotliwości. Drugi ważny test określany jest skrótem CCIF. Test zniekształceń CCIF IM różni się od testu SMPTE tym, że do badanego urządzenia przykładana jest para tonów o zbliżonej częstotliwości i tych samych amplitudach. Nieliniowość w testowanym urządzeniu powoduje intermodulację między dwoma sygnałami, które są następnie mierzone. Dla typowego przypadku sygnałów wejściowych, przy 19 kHz i 20 kHz, składowe intermodulacyjne będą miały częstotliwości 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, 5 kHz itd. oraz 18 kHz, 21 kHz, 17 kHz, 22 kHz, 16 kHz, 23 kHz itd.
Okno RTA dla pomiaru IMD metodą SMPTE dla mocy wyjściowej 2 W zostało pokazane na rysunku 37. Oprócz wartości zniekształcania IMD wyliczane jest również zniekształcenie Multi-tone Total Distortion Plus Noise, czyli TD+N dla dwóch tonów.
Mamy tu IMD=0,022% i TD+N=0,024%. To dobry wynik. Przypomnijmy, że THD+N wyniósł 0,0036%, ale wzmacniacz przy pomiarze IMD pracuje w trudniejszych warunkach.
Na rysunku 38 pokazano pomiar IMD metodą CCIF. IMD jest tutaj większe, bo na poziomie 0,036%. Na wykresie widać składową d2L o częstotliwości 1 kHz, będącą wynikiem różnicy częstotliwości testowych 20 kHz i 19 kHz. Test CCIF ma tę zaletę, że generuje zniekształcenia w paśmie słyszalnym.
Zmiana konfiguracji pomiarowej
Zastosowanie wyjścia słuchawkowego karty Scarlett 2i2 tylko częściowo rozwiązało problem pomiarów THD+N. Układ dobrze się mierzy, nic się nie wzbudza, ale przy niskich częstotliwościach (ok. 50 Hz) pomiary zniekształceń samej karty okazują się nieco zawyżone. Nie są to duże wartości i można próbować je korygować, jeżeli zależy nam na dokładnych wynikach. Osobiście uważam, że w amatorskich pomiarach nie ma to większego znaczenia. Jak już wspomniałem, można by spróbować desymetryzacji wyjściowego sygnału symetrycznego, ale to również może stać się źródłem zniekształceń. Kiedy szukałem możliwości pomiarów parametrów przetworników cyfrowo-analogowych, wpadłem na pomysł rozwiązania tego problemu. Pomocne będą tutaj drivery Java użyte w programie REW. Umożliwiają one niezależne sterowanie urządzeniami wyjściowymi (głośniki) i wejściowymi (mikrofony). Można zatem jako analizator (wejście) zastosować kartę Scarlett 2i2, a jako wyjście generatora (głośnik) – jakieś inne urządzenie. Urządzeniem wyjściowym (generatorem) został przetwornik cyfrowo-analogowy z układem PCM1794A i wejściem USB. Przetwornik mojej konstrukcji ma wyjście asymetryczne i teoretycznie powinien się nadawać do tego celu, bo akceptuje częstotliwości próbkowania do 192 kHz, podobnie jak konwerter USB/I²S. Teoretycznie, bo w praktyce okazało się, że drivery użyte w REW z tym konwerterem USB/I²S da się w tym przypadku skonfigurować prawidłowo tylko dla częstotliwości 44,1 kHz i zależy to od oprogramowania konwertera. Wszelkie inne ustawienia dawały dziwne wyniki w trakcie kalibracji wyjścia przetwornika zapętlonego z wejściem karty Scarlett 2i2. Nie przeszkadza to w podstawowych pomiarach, ale ogranicza możliwości w paśmie powyżej 7...8 kHz – z powodów, które już opisywałem. Trzeba też pamiętać o tym, że zegary generatora (DAC) oraz analizatora (wejście karty) nie są z sobą zsynchronizowane. Taka sytuacja powoduje pewne ograniczenia w konfiguracji pomiarów. Dokładne informacje można znaleźć w plikach pomocy programu REW.
Na rysunku 39 pokazano zniekształcenia zapętlonego wyjścia DAC z wejściem symetrycznym karty.
Otrzymujemy THD równe 0,00063% i THD+N równe 0,0020%. To wyniki lekko gorsze niż przy zapętleniu wyjść/wejść symetrycznych karty i porównywalne przy zapętlaniu wyjścia słuchawkowego SE karty z wejściem symetrycznym. Przy okazji te wyniki można traktować jako pomiar samego DAC dla 1 kHz.
W tym momencie można sobie zadać pytanie, co zyskujemy, stosując DAC, skoro wyniki dla wyjścia słuchawkowego są tak bardzo podobne? Różnica staje się widoczna przy małych częstotliwościach. Pokazaną na rysunku 40 charakterystykę pomiaru THD+N w funkcji częstotliwości można porównać z rysunkiem 32.
Teraz zniekształcenia dla małych częstotliwości są wyraźnie niższe i mają równiejszy przebieg. Widać też, że rosną wraz z częstotliwością. Oczywiście pomiar został ograniczony do 7 kHz, przy której to wartości zarejestrowano jeszcze 3. harmoniczną.
Wyniki pomiarów wzmacniacza w układzie pomiarowym z DAC dla mocy 2 W zostały pokazane na rysunkach 41 i 42.
Mamy więc tu charakterystykę w funkcji częstotliwości toru pomiarowego wyraźnie równiejszą, a pomiary – bardziej wiarygodne.
Pomiar maksymalnej mocy wyjściowej
Moc wyjściową mierzy się przy znamionowym obciążeniu rezystancyjnym. Wzmacniacze są najczęściej przystosowane do obciążenia o wartości 8 Ω i/lub 4 Ω. Maksymalną moc wyjściową określa się dla najwyższego dopuszczalnego poziomu zniekształceń nieliniowych THD. Dla dobrych wzmacniaczy mogą to być na przykład zniekształcenia na poziomie 1%. Szybki wzrost zniekształceń nieliniowych w okolicy maksymalnej mocy wyjściowej jest spowodowany obcinaniem szczytów wzmacnianego sygnału z powodu ograniczenia wydajności prądowej układu zasilania.
Dokładny pomiar mocy wyjściowej przy założonym poziomie zniekształceń nieliniowych wymaga układu mierzącego te zniekształcenia. Używa się też metody szybkiego, zgrubnego pomiaru. Wzmacniacz obciążamy rezystorem sztucznego obciążenia. Na wejście podajemy regulowany sygnał sinusoidalny z generatora (o częstotliwości 1 kHz), a do wyjścia wzmacniacza podłączamy oscyloskop. Zwiększamy amplitudę na wejściu do momentu, kiedy na ekranie oscyloskopu zaczynamy obserwować początek obcinania szczytów sinusoidy. Napięcie Vrms – zmierzone tuż przed początkiem obcinania szczytów – określa nam, przy zadanej rezystancji obciążenia, jaka jest moc wyjściowa. Jak już wspominałem, ta metoda jest mało dokładna. Kiedy już zaczynamy obserwować zmiany kształtu, zniekształcenia są na poziomie 1...2%. Żeby nieco ten pomiar uwiarygodnić, zmniejsza się „trochę” napięcie wyjściowe i przyjmuje, że jest ono właściwe dla mocy maksymalnej wzmacniacza.
Zmierzymy teraz moc naszego wzmacniacza przy użyciu oscyloskopu i układu mierzącego zniekształcenia. Najpierw podłączamy wyjście wzmacniacza do układu sztucznego obciążenia, a sygnał na wejście wzmacniacza jest podawany z wyjścia karty. Potem, za pomocą potencjometru, ustawiamy poziom sygnału na wejściu wzmacniacza – tak by napięcie na jego wyjściu miało wartość trochę mniejszą od zaobserwowanego obcinania szczytów sygnału wyjściowego. W naszym przypadku było to ok. 11 V (RMS). Moc wyjściowa wzmacniacza wynosiła wtedy ok 15 W. Charakterystyka zniekształceń w tym przypadku wygląda tak, jak na rysunku 43.
Zniekształcenia utrzymują się nadal na niskim poziomie: THD jest równe 0,0049%, a THD+N wynosi 0,024%. Teraz zwiększamy napięcie na wyjściu wzmacniacza i obserwujemy zniekształcenia. Jeżeli będą miały zadany poziom, to mierzymy napięcie na wyjściu i na jego podstawie wyliczamy moc maksymalną. Ja założyłem, że będzie to 1,5% – rysunek 44.
Napięcie wyjściowe wyglądało tak, jak na rysunku 45. Widać niewielkie, ale zauważalne obcinanie dolnej połówki przebiegu. Napięcie VRMS wynosi 11,8 V, czyli maksymalna moc wyjściowa wzmacniacza dla THD+N=1,5% to ok. 17,4 W.
Metoda obserwacji przebiegu wyjściowego również da wynik, który może być akceptowalny, ale nie dokładny. Mój oscyloskop ma rozdzielczość pionową 8 bitów i obserwowanie obcinania przebiegów jest utrudnione. Lepszy do tego celu byłby dobry oscyloskop analogowy lub nowszy oscyloskop cyfrowy o pionowej rozdzielczości np. 12 bitów.
Pomiary zniekształceń dynamicznych
Pomimo że pomiary zniekształceń THD i THD+N są przydatne w badaniu jakości wzmacniaczy, to niestety mają również ograniczenia. Pierwsze z nich wiąże się z faktem, że są to pomiary statyczne. Wzmacniacz pracuje z sygnałem wejściowym o stałej amplitudzie i częstotliwości – i jest to praca bardzo komfortowa w stanie ustalonym. Nie byłoby trudno zbudować wzmacniacza, który będzie miał niskie lub bardzo niskie THD, ale jego brzmienie okaże się takie sobie, żeby nie powiedzieć: fatalne. Przykładem są wzmacniacze tranzystorowe z początku lat 70. XX wieku. Stosowano w nich wyjściowe układy quasi-komplementarne z dwoma tranzystorami mocy o polaryzacji NPN. Dodatkowo tranzystory mocy miały małą częstotliwość graniczną: na przykład popularny 2N3055 ma częstotliwość FT=2 MHz (2 MHz przy wzmocnieniu 1). Żeby taki stopień miał akceptowalne zniekształcenia nieliniowe THD, trzeba było go objąć silną pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. To – w połączeniu z niezbyt szybkimi tranzystorami mocy – stanowiło dobry przepis na powstawanie przykrych, wyraźnie słyszalnych zniekształceń. I to mimo faktu, że THD kształtowało się na poziomie dzisiejszych dobrych wzmacniaczy. Dlatego wielu uważa, że przy wyborze wzmacniacza nie powinno się kierować wyłącznie parametrem THD+N, często podawanym tylko dla 1 kHz. Lepszym, bo trudniejszym do spełnienia kryterium, są niskie zniekształcenia IMD.
Ale żeby wzmacniacz dobrze brzmiał, musi też mieć odpowiednie parametry dynamiczne. Należy zmusić go w czasie pomiaru do takiej pracy, w której będzie musiał dynamicznie „doregulowywać” się do poziomu sygnału z użyciem układu pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Okazuje się, że niepoprawnie skonstruowane wzmacniacze w dynamicznych stanach generują bardzo przykre dla naszego słuchu zniekształcenia zwane TIM. Nawet niewielka ich wartość – na poziomie np. 0,2% – jest słyszalna, podczas gdy THD na poziomie 0,2% jest praktycznie niezauważalne. TIM, czyli Transient Intermodulation Distortion (przejściowe zniekształcenia intermodulacyjne), występują we wzmacniaczach tranzystorowych korzystających z ujemnego sprzężenia zwrotnego. Opóźnienia sygnału w torze wzmacniacza sprawiają, że – w pętli sprzężenia – nie jest on w stanie prawidłowo skorygować zniekształceń pod wpływem szybkich, przejściowych sygnałów. Pierwsze wzmacniacze tranzystorowe były „wolne”, czyli reagowały zbyt wolno (z opóźnieniem) na szybko narastające sygnały wejściowe. Przy tym – jak już powiedzieliśmy – żeby zapewnić niskie zniekształcenia harmoniczne, były obejmowane silnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Wspomniane już opóźnienia powodowały, że (przy szybko narastającym napięciu) sygnał z wyjścia nie trafiał w odpowiednim momencie na wejście przez pętlę sprzężenia zwrotnego i cały wzmacniacz w tych momentach pracował bez odpowiedniego sygnału sprzężenia, w związku z czym był chwilowo mocno przesterowany.
Od czasu wykrycia zniekształceń TIM i źródła ich pochodzenia przez Matti Otala, znane są sposoby minimalizowania zjawiska powstawania TIM do akceptowalnego poziomu. Wszystkie stopnie wzmacniające powinny mieć równą charakterystykę, tak by pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego nie musiała być zbyt silna. Wzmacniacz z kolei musi być szybki, czyli powinien bardzo szybko reagować swoim wyjściem na strome zbocza narastające sygnałów wejściowych. Dzięki temu zminimalizowane zostaną opóźnienia sygnału. Parametrem określającym szybkość wzmacniacza jest Slew Rate, wyrażany w woltach na mikrosekundę. Na przykład wartość 25 V/μs oznacza, że – po przyłożeniu na wejście impulsu o bardzo krótkim czasie narastania – na wyjściu wzmacniacza osiągniemy 25 V po czasie 1 μs. Szybkość narastania sygnału jest związana z pasmem przenoszenia. Jeden z warunków eliminacji zniekształceń TIM stanowi szerokie pasmo przenoszenia, wynoszące przynajmniej 100 kHz dla sygnałów akustycznych w paśmie 20 Hz...20 kHz. Można przyjąć, że nowoczesne wzmacniacze są pozbawione problemu zniekształceń TIM. Dość łatwo da się wykonać wzmacniacz z odpowiednio wysokim slew rate, dużym zapasem pasma przenoszenia, a jednocześnie z niskim globalnym sprzężeniem zwrotnym.
Oczywiście istnieją metody pomiaru TIM. Na wejście wzmacniacza podaje się sygnał sinusoidalny modulowany sygnałem prostokątnym. Według standardu IEC sygnał sinusoidalny ma częstotliwość15 kHz, a prostokątny 3,15 kHz. My w naszym układzie pomiarowym nie mamy możliwości zmierzenia zniekształceń TIM, ale możemy zmierzyć pasmo wzmacniacza metodą opisaną w następnym odcinku naszego cyklu. Możemy też próbować, choć nie jest to łatwe, określić z grubsza slew rate za pomocą generatora sygnału prostokątnego i oscyloskopu. Mamy też możliwość zmierzenia zniekształceń IMD.
Możemy przyjąć, że jeżeli te trzy parametry będą poprawne, wzmacniacz ma zniekształcenia TIM na poziomie niewpływającym na jakość sygnału.
Na rysunku 46 pokazano przykładowy pomiar zniekształceń TIM wzmacniacza ICEPower 250ASX250.
Tomasz Jabłoński, EP
