Jste zde

Měření a parametry zesilovačů (2.část)

Redakce HW serveru, 22. Květen 2000 - 0:00

Kvality zesilovačů lze jistě posuzovat poslechem. Měření je ale měření. - 2. část

Kvality zesilovačů lze nejlépe posuzovat poslechem. I měření může ale hodně napovědět o kvalitě zesilovače, a to hlavně stabilita při komplexní zátěži. Jako zátěž můžeme použít pararelní kombinaci odporu 2R a kondenzátoru 2u (pozor ale na max. povolený proud koncovými tranzistory), někdy se používa jen kapacitní zátěž. Na vstup pak přivedeme obdélníkový signál vyššího kmitočtu (např 10-15kHz ), na osciloskopu nesmí být patrné žádné zákmity. Jakékoli zákmity pak indikují nestabilitu zesilovače. Stabilitu zesilovače zvětšíme např. kompenzačními kapacitami, ale tím zároveň snížíme rychlost přeběhu SR zesilovače a zvětší se zkreslení na vysokých kmitočtech. Také zmenšení zisku naprázdno zvětší zkreslení, neboť se zmenší velikost záporné zpětné vazby, která snižuje celkové zkreslení ale zajistí lepší stabilitu zesilovače při komplexní zátěži. Je proto vhodné volit kompromisní řešení.

1) Zkreslení SID TIM a DIM

TIM-transient intermodulation distortion
SID-slew induced distortion
DIM-dynamic intermodulation distortion

Podmínkou pro vznik zkreslení TIM je záporná zpětná vazba a zkreslení SID, v zesilovači dochází k limitaci při přechodných jevech vysokých kmitotočtů a velkých výstupních úrovních. Pokud na vstup zesilovače přivedeme skokovou změnu napětí na výstupu dostaneme max napětí se spožděním t1, úměrným rychlosti přeběhu SR zesilovače (zkreslení SID). Záporná zpětná vazba se snaží eliminovat vzniklé zkreslení a na vstupu se napětí zvětší. Je však limitováno napájecím napětím Uc a proto dochází k omezení signálu a tím ke zkreslení TIM.

Působením záporné ZV dojde ke zkrácení doby t1 na t2. Zvětšením ZV se prodlouží doba po kterou signál sleduje přímku SR. Zpětná vazba snižuje zkreslení ale jen do strmosti signálu SS menší než je SR zesilovače, pak se zkreslení prudce zvyšuje. Vetší záporná ZV vyžaduje větší kompenzační kapacity z důvodu zajištění stability (zesílení musí být <1 dřív než je natočení fáze tak velké že dojde k rozkmitání zesilovače) a tím se zmenší SR. Někteří výrobci proto realizují zesilovače s malou nebo žádnou zápornou ZV. Například TEAC A-BX7R má jen ss ZV realizovanou DC-servem a vstupní zesilovač je tvořen tranzistory FET s malým ziskem.

Takovéto zesilovače jsou odolnější na různé kritické situace ale mají vyšší základní zkreslení. Je proto vhodné u takto řešených zesilovačů nastavovat pracovní bod v max. lineárním režimu pro co nejmenší zkreslení. Zmenšení zisku se může například realizovat emitorovými odpory u vstupního diferenciálního zesilovače, čímž také vzroste linearita tohoto stupně.

1% zkreslení signálu nastává zhruba tehdy,pokud je strmost přiváděného signálu rovna SR zesilovače, toto zkreslení je již pozorovatelné při srovnávacím testu, projevuje se jako menší brilance, příp. jako ztráta výšek. Strmost sinusového signálu (max strmost je při průchodu 0):

SS=2*pi*f*Us*10e-6 [V/us] kde Us=1,41*Uef
Uef - výstupní napětí

Pro 100W/8ohm zesilovač se považuje dostatečná hodnota SR 25 V/us,běžně uvažujeme SR asi 0,5 V/us na každý špičkový volt výstupního napětí.

V poslechových testech se ale dobře umisťují i zesilovače které mají SR nižší než by vycházelo dle uvedených vzorců, mnoho velmi rychlých zesilovačů má totiž sklony k nestabilitě při napájení složitých reproduktorových vyhýbek (projeví se zde kapacitní zátěž). Pro kontrolu dynamických vlastností zesilovačů se používá kombinovaný signál - obdélníkový a sinusový podle IEC.

2) Zkreslení TIM

Toto zkreslení se "objevilo" s nástupem tranzistorových zesilovačů, kdy hifisté při subjektivním porovnávání dávali přednost elektronkovým zesilovačům. Tranzistorové zesilovače hodnotili jako nepřirozeně znějící, se zkreslením a "roztřepenými" výškami i když statické parametry měly tyto zesilovače lepší. Proto se začaly "hledat" nové typy zkreslení, které vznikají při dynamickém režimu zesilovače. Podmínkou pro vznik zkreslení TIM je přítomnost celkové zpětné vazby a vzniká jako důsledek zkreslení SID. Toto je zkreslení vzniklé omezenou rychlostí zesilovače kdy zesilovač už nestačí sledovat vstupní signál. Nastává převážně při vysokých úrovních signálu a vysokém kmitočtu, tj. signál je na výstupu zkreslen. Např. při obdélníkovém signálu (1) dojde vinou omezené rychl. přeběhu ke změně tvaru obdélníku , změní se strmost náběžné hrany (2). Pokud máme v zesilovači zavedenou zápornou zpětnou vazbu, která se snaží uvedené zkreslení omezit, tj. změní vstupní signál. na průběh č.3. To je v pořádku, ovšem jen do té doby, než pracujeme se signály tak velké úrovně že dojde k limitaci signálu č.3 (jsme omezeni napájecím napětím)

K limitaci může ovšem dojít i při malé hlasitosti, čím větší má zesilovač rychlost přeběhu (SR), tím větší úroveň signálu můžeme zpracovat protože zpětná vazba není nucena tolik měnit vstupní signál (na sig. č. 3). (Proto snaha některých výrobců o co největší SR, ale zase to přináší problémy se stabilitou). Pokud dojde k limitaci, dojde ke zkreslení které je sluchem dobře rozpoznatelné. Když zesilovač pracuje v limitaci, chová se krátkodobě jakoby bez zpětné vazby. Čím má zesilovač větší ZV tím je subjektivně limitace více rozpoznatelná, zesilovači trvá delší dobu než se z limitace "vzpamatuje" (závisí to ovšem taky na kmitočtu a úrovni zpracování signálu), nejdéle to trvá výkonovým tranzistorům (proto postupná limitace například u zesilovačů DPA). Vetší ZV zase více potlačí všechny druhy zkreslení (ovšem na vyšších kmitočtech dochází k menší rezervě ZV a tím k nárůstu zkreslení), tím potlačí i TIM ale jen do strmosti signálu srovnatelného s rychlostí přeběhu zesilovače. (strmost signálu závisí na frekvenci a napětí signálu). Pak se zkreslení prudce zvětšuje.

3) Kmitočty vhodné pro měření zesilovačů

16, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000 Hz. Tyto kmitočty se volí přednostně, neboť se jedná o kmitočty ležící ve středu třetinooktávových pásem, pokrývajících celý rozsah

4) Měření vstupní impedance

Zesilovač na výstupu zatížíme jmenovitou impedancí. Na vstup připojíme sinusový generátor, do série s ním rezistor Rg s odporem asi 1/10 předpokládané vstupní impedance a zesilovač vybudíme. Nízkofrekvenčním milivoltmetrem změříme napětí na vstupních svorkách zesilovače – U1 a na pomocném rezistoru – U. Vstupní odpor zesilovače je potom : Rvst= (U1/U).Rg. Je vhodné provést měření pro celý kmitočtový rozsah, neboť vstupní impedance je kmitočtově závislá. Měřením, které je popsané výše, změříme pouze reálnou část vstupní impedance – tedy vstupní odpor. Pokud by nás zajímala i imaginární část, tedy vstupní kapacita, bude měření složitější, neboť budeme nuceni měřit i fázi. Vstupní odpor zesilovače hraje roli z důvodu možného ovlivnění vstupními kabely a výstupním odporem zdroje signálu. Vstupní kapacita se může při spojení s nevhodnými kabely chovat jako zkrat pro vysoké kmitočty, které potom budou v reprodukované hudbě chybět. U dnes konstruovaných zesilovačů se nejčastěji volí vstupní odpor řádově jednotky až desítky kohm.

5) Měření výstupní impedance

Toto měření lze provést tak, že mezi vstupní svorky zesilovače zapojíme jmenovitý odpor. Na výstupní svorky zapojíme sinusový generátor v sérii s rezistorem -Rg, který zabraňuje přetížení generátoru a z úbytku na něm lze určit proud. Nastavíme napětí na generátoru, odečteme nízkofrekvenčním milivoltmetrem napětí na výstupních svorkách – U a na rezistoru – U1.Výstupní odpor je potom : Rvyst=(U/U1).Rg. Tím ovšem zjistíme pouze reálnou, činnou, složku impedance. Pokud by nás zajímala i imaginární, jalová složka, musíme opět měření doplnit o měření fáze. Pokud bude jalová složka malá (většinou je), lze měření výstupního odporu provést následujícím způsobem. Na vstup zesilovače zapojíme generátor, zesilovač vybudíme a změříme nízkofrekvenčním milivoltmetrem napětí na výstupních svorkách zesilovače – U20. Potom zapojíme na výstupní svorky jmenovitý odpor a opět změříme výstupní napětí – U2. Výstupní odpor je potom : Rvyst=(U20-U2)/U2. Snahou je, aby hodnota výstupního odporu byla minimální. Potom se bude méně uplatňovat parazitní kapacita a indukčnost reproduktorových kabelů. U tranzistorových zesilovačů v lze dosáhnout výstupního odporu menšího než 0.01 ohmu (u single ended – SE, konstrukcí to bývá více). U elektronkových zesilovačů je tato hodnota podstatně vyšší (až jednotky ohmů). Tyto potom kopírují impedanční průběh reproduktorové soustavy, protože zesilovač se nechová jako tvrdý napěťový zdroj. S výstupní impedancí souvisí také hodnota činitele tlumení, která udává poměr mezi jmenovitou impedancí připojovanou na výstup (4, 8 ohmů) a výstupním odporem. U tranzistorových zesilovačů se tato hodnota pohybuje v hodnotách větších než 100. U elektronkových a SE zesilovačů je to podstatně méně. Hodnota činitele tlumení ovšem ještě nezaručuje sama o sobě kvalitu reprodukce.

6) Odstup signál/šum

Určující parametr pro dynamický rozsah reprodukovaného signálu. Horní hranice výstupního signálu je dána přebuzením zesilovače – limitace, prudký nárůst zkreslení. Dolní hranice úrovně výstupního signálu je dána hladinou šumu a brumu. Pokud tedy chceme, aby s¨zesilovač přenášel i nejjemnější detaily o malé úrovni, je nutné zajistit minimální hladinu šumu a brumu. Šum je v zesilovačích způsoben mnoha zdroji. Tyto se částečně liší u polovodičových a elektronkových konstrukcí. Jmenijme tedy alespoň některé z nich : výstřelový šum, blikavý šum, tepelný šum, šum rezistorů (obzvláště uhlíkové > správná volba jsou metalizované rezistory), ………..Brum je způsoben indukcí rušivého napětí do užitečného signálu. Nejčastěji se jadná o rušivý signál kmitočtu 50 Hz – tedy síťový kmitočet a jeho celistvé násobky. Velikost brumu je dána zejména konstrukčním uspořádáním zesilovače (zemní smyčky) a vlastnostmi komponentů (transformátor, vodiče). Znatelného potlačení brumu se dosáhne řádným zkroucením párových vodičů, které se potom nemají tendenci chovat jako citlivá anténa. Kvantitativní vyjádření brumu a šumu (většinou se popisují dohromady) se nejčastěji vyjadřuje tzv. odstupem signál/šum (SNR , signal to noise ratio), který je definován jako 20log podílu šumu a výstupního signálu. Výstupním signálem se rozumí maximální výstupní napětí (pro jmenovitý výkon zesilovače nebo max. výstupní napětí předzesilovače) a šumem je zde míněno výstupní napětí při odpojeném vstupním zdroji. Vstupní svorky se potom zkratují, nechávají rozpojené nebo se mezi ně zapojuje rezistor. Toto by mělo být u měření vždy uvedeno. Na výstup zesilovače se někdy zapojuje filtr s charakteristikou typu A, která určitým způsobem zohledňuje charakter lidského ucha. Hodnoty získané při měření s tímto filtrem pak vycházejí příznivější. K měření je potřeba generátor sinusového signálu, nízkofrekvenční milivoltmetr a někdy i výše zmíněný filtr. Postup je takový, že vybudíme zesilovač na maximální výkon (nejčastěji se volí vybuzení 1 dB pod limitací) a na milivoltmetru zapojeném na výstupu, odečteme výstupní napětí. Poté generátor odpojíme, vstup zkratujeme nebo mezi vstupní svorky zapojíme požadovaný odpor a opět odečteme výstupní napětí na milivoltmetru. Podíl těchto napětí, zlogaritmovaný a vynásobený 20 nám udává hodnotu odstupu S/Š. U dnes konstruovaných výkonových zesilovačů není problém dosáhnout hodnot odstupu S/Š 100 dB. U předzesilovačů je to horší. Je možné těchto hodnot dosáhnout, ale již to není tak snadné. Opět je nutné si uvědomit, že šumové napětí dosahuje hodnot řádově desítek či stovek mikrovoltů a tomu je potřeba přizpůsobit měřící techniku a obzvláště pak propojení přístrojů. Další možností jak měřit odstup S/Š je pomocí již několikrát zmiňovaného Audio Precision. Pokud nás zajímá spektální složení šumu (obzvláště pokud chceme znát hodnotu brumového napětí 50 Hz – při laborování se zeměním a připojovacími vodiči) je výhodné použít spektrální analyzátor. Hodnota odstupu S/Š je u dnes konstruovaných zesilovačů velmi důležitý parametr, neboť u záznamů na CD je běžně dosahováno odstupu S/Š 105 dB a zesilovač by neměl tuto hodnotu snižovat. U DVD to bude ještě horší, neboť předpokládaná dynamika bude vyšší než 120 dB.

7) Přeslechy

Měření přeslechů připadá v úvahu pouze u vícekanálového zesilovače (tedy alespoň stereofonního). Hodnota přeslechů nám určuje jak ovlivňuje signál jednoho kanálu kanál druhý, tedy jak se nám signál jednoho kanálu nechtěně dostane do kanálu druhého. Toto je samozřejmě nežádoucí z důvodu znehodnocení stereofonního efektu. Dochází ke ztrátě prostoru a vzdušnosti, zvuk se slévá a degraduje se prostorová lokalizace z důvodu nedodržení fázového posuvu mezi zvukem jednoho a druhého kanálu. Měření se provádí tak, že jeden kanál zesilovače vybudíme na max. výkon (obvykle 1 dB pod limitaci), druhý kanál na vstupu zkratujeme nebo připojíme mezi vstupní svorky rezistor (nebo necháme rozpojený) a na výstupu obou kanálů změříme výstupní napětí (nízkofrekvenčním milivoltmetrem). Poměr těchto napětí zlogaritmujeme, vynásobíme 20 a toto je kýžená hodnota přeslechů. Výhodné je toto měření provést v celém frekvenčním rozsahu a získat tak frekvenční závislost přeslechů. Měření se musí samozřejmě provádět pro všechny kanály (oba kanály u stereofonního zesilovače.) U výkonových zesilovačů jsou na tom pochopitelně jsou nejlépe monobloky, potom bimonaurální konstrukce kdy přeslechy běžně dosahují hodnot přes 100 dB. U zesilovačů se společným zdrojem (trafo, filtrace) je to horší. Totéž prakticky platí i u předzesilovačů, kde může ještě přeslechy ovlivňovat přepínač vstupů a regulace hlasitosti (lepší je pochopitelně oddělené přepínání vstupů a regulace hlasitosti pro oba kanály samostatně). Jak tedy vyplývá, přeslechy lze příznivě ovlivnit mechanickým a elektrickým oddělením kanálů. Další alternativy měření jsou pomocí systému Audio Precision a nebo spektrálním analyzátorem.