Mírně nekoncepční článek o tom, co se v recenzích nedočtete, pomůcky konstruktérů a nástroje recenzentů aneb objektivní vlastnosti zesilovačů.
Tento článeček je jakousi "lehkou sondou" do ryze technického světa konstruktérů zesilovačů. Mohl by také pomoci těm, kteří se chtějí lépe zorientovat v technicky zaměřených odstavcích recenzích přístrojů. Není příliš koncepční, je sestaven na základě písemné diskuse autorů a jeho hodnota má spíše povrchně informativní charakter. I proto na závěr článku naleznete odkazy na texty obsahující definice pojmů a zároveň mohou Vaše znalosti pozvednout na úroveň takřka profesionální.

Na prvních místech se v odstavcích měření, doplňujících testy zesilovačů, setkáváme většinou s grafem, znázorňující průběh obdélníkového signálu zesilovačem. Toto měření průkazně odhalí dynamické vlastnosti zesilovače. (pozn.: Jestliže mluvíme o dynamických signálech, znamená to defakto schopnost přenést jemné hudební detaily.) Celkově zohledňuje, jak dobře byl konstruktérem zvolen kompromis mezi “rychlostí” a stabilitou. Obdélníkový signál se používá na testování zesilovačů ze dvou důvodů. Prvním je zjištění stability při reálné a komplexní zátěži pro celé kmitočtové spektrum, ve kterém se pohybujeme. Zákmity na obdélníkovém průběhu při komplexní zátěži jsou způsobeny reaktancí této zátěže. Nelze ovšem jednoznačně tvrdit, že zesilovač, který bude při obdélníkovém testu vykazovat značné kmitání při komplexní zátěži, bude hrát špatně. (Viz testy elektronkových zesilovačů, kde se nejvíce projevuje obrovská indukčnost výstupních transformátorů, "zakomponovaná" do smyčky zpětné vazby). Dalším důvodem pro použití obdélníkového signálu je zjištění rychlosti přeběhu zesilovače. To je velmi důležitý parametr (musíme ale opět rozlišovat specifika zesilovačů elektronkových a tranzistorových - viz dále v textu).

K vlastnímu měření: Norma IEC doporučuje k měření dynamických vlastnosti zesilovače ("DIM test") kombinaci obdélníkového signálu 3150Hz se signálem sinusovým 15kHz. Poměr amplitud má být 4:1 (viz signál použitý při testech např. v S&V) Nejlepší je použít obdélníkový signál na různých kmitočtech (nejlépe "projet" celé slyšitelné pásmo - vzhledem k časové náročnosti se běžně používají jen některé kmitočty, např.100, 1000 a 10 kHz), dále měřit při různých úrovních signálu (od nejmenší až po limitaci). Je vhodné přepínat různé typy zátěže (nejen reálná - komplexní, ale i různé komplexní - extrémně např. pouze kapacita 10uF). Odpor je dobré zvolit menší než je udávaná impedance reprosoustavy. (Impedance u mnohých "4-ohmových" reprosoustav dosahuje na některých kmitočtech minima např. 2 Ohm, ale - pro ty zvídavé - pozor na max. proud protékající koncovými tranzistory - nespoléhat se na pojistku v zesilovači). Takto je třeba "potrápit" zesilovač a sledovat, jak se mění výstupní signál vzhledem k vstupnímu - jakékoli zákmity indikují nestabilitu a tím zhoršení zvuku.

S tímto měřením souvisí zjištění mezního kmitočtu, který je zesilovač schopen přenést při všech výkonech. Případné problémové výsledky mohou ukazovat na nedostatečnou rychlost přeběhu. (pozn.: a) Zjišťování šířky pásma zesilovače pomocí obdélníkového signálu je zbytečné. Úplně postačí sinusový generátor a milivoltmetr. b) Velká šířka pásma může být někdy dvojsečná zbraň, protože pak může být zesilovač podstatně náchylnější na rušení. Samozřejmě však musí být schopen dodat plný výkon i při kmitočtech nad 20kHz. Obvykle je snaha konstruovat zesilovač s maximální výkonovou šířkou pásma a dodatečně pomocí paralelní vstupní kapacity tuto šířku snížit.). Stále platí – čím více se obraz blíží ideálnímu obdélníku, tím lépe. Stálým zvyšováním frekvence se dostaneme k obrazu, kdy horní tečna s vrcholem se dotýká signálové křivky pouze v jednom bodu - jednoduše, původně obdélníkový signál se postupně změní v "pilový" - a tento stav určuje horní mezní (či limitní) kmitočet.

Adekvátním postupem (směrem "dolů") zjišťujeme dolní limitní kmitočet, přičemž ideální obdélník se nám mění opačným charakterem. Lupa stínítka ukazuje pokles úrovně výstupního signálu. Nutno mít na zřeteli fakt, že pokles o –3dB znamená fázový posuv o 45 stupňů - takový pokles bychom měli zaznamenat až pod úrovní 10 Hz. ("Nedostatečná" kmitočtová charakteristika způsobuje zhoršení charakteristiky fázové.)

Jednou z nejdůležitějších vlastností zesilovače je velikost jeho tzv. přechodového zkreslení To je způsobeno nelinearitou převodní charakteristiky polovodičů, resp. zesilovacího prvku obecně v počátku jeho charakteristiky. Eliminuje se zčásti zpětnou vazbou na nižších kmitočtech, díky její pomalé odezvě na vyšších kmitočtech musí však zesilovač obsahovat i speciální "doplňkové" obvody. Přechodové zkreslení snižuje schopnost zesilovače přenést velmi malé dynamické signály (tranzienty), způsobuje subjektivní "zdrsnění" středů a výšek, zhoršuje prostorovost. Čím slabší signál a vyšší frekvence, tím větší vliv toto zkreslení má. (pozn.: Díky tomu, že zkreslení tohoto druhu nemá harmonický charakter, lidské ucho je na něj velmi citlivé.) Řešením pro odstranění přechodového zkreslení je zavedení klidového proudu, čímž se posune pracovní bod zesilovacího prvku do lineárnější oblasti.

Ideální je volit pracovní bod zesilovacího prvku tak, aby se nacházel uprostřed lineárního úseku převodní charakteristiky. Tím se ocitne zesilovač ve třídě A, protéká jím vysoký klidový proud, zesilovač se silně zahřívá, zcela ovšem zaniká přechodové zkreslení a ocitáme před nejméně kompromisním řešením zesilovače. Řešení je ovšem z důvodu dimenzování chladičů, zesilovacích prvků, zdroje atd. značně nákladné, a proto se vyskytuje jen u nejdražších zesilovačů. Velmi velké přechodové zkreslení je rovněž možno pozorovat na stínítku osciloskopu.

Další velmi důležitou vlastností zesilovače je jeho chování v limitaci. Chovaní v limitaci posuzujeme sinusovým signálem. Zesilovač přebudíme a pozorujeme, zda nedochází k zákmitům.

Tyto nesymetrické zákmity se objevují na spádových liniích sinusovky těsně za maximem (taky měníme kmitočet - většina problémů se vyskytne u vyšších kmitočtů - to je částečný důvod "slévání a ztráty čistoty zvuku při vyšších hlasitostech", viz ještě zkreslení TIM).

Jeho vznik je způsoben nelinearitou převodních charakteristik zesilovacích prvků (tranzistory, elektronky, IO). Nelinearity způsobují vznik vyšších harmonických složek k základnímu sinusovému signálu. Tyto složky jsou vždy celistvým násobkem frekvence základního signálu. Velikost jednotlivých vyšších harmonických je různá podle použitých zesilovacích prvků a obvodového zapojení. Jejich vznik je pochopitelně nežádoucí. Jejich výskyt se takto nejčasněji udává pomocí tzv. činitele harmonického zkreslení. Tento by měl být co možná nejmenší a vyjadřuje se, zjednodušeně řečeno, v procentech podílu vyšších harmonických k celému signálu nebo v dB téhož. Objektivnější posouzení, tedy dalo by se říci kvalitativní, je takové, kdy zjišťujeme velikost každé vyšší harmonické složky zvlášť. Toto je výhodné zejména kvůli spektrálnímu složení harmonického zkreslení, jinak řečeno známe velikosti jednotlivých zkreslujících složek a z nich můžeme usuzovat některé důležité věci. Například pro elektronkové zesilovače je velmi typické harmonické zkreslení sudými složkami (2.f, 4.f,………) a obzvláště pak druhou, která je dominantní. Naopak tranzistorové zesilovače se vyznačují výskytem lichých harmonických, které mohou být i "vyšším" násobkem základního kmitočtu. Je důležité rozlišovat pojmy “věrná reprodukce” a reprodukce, která se nám “líbí”. Pokud požadujeme věrnou reprodukci (tedy chceme slyšet striktně a přesně to co je na CD) je vždy snahou dosáhnout minimální hodnoty činitele harmonického zkreslení (THD). U tranzistorových zesilovačů není velký problém dosáhnout hodnoty menší než 0.05 %. Naproti tomu u elektronkových zesilovačů je hodnota THD menší než 1 % téměř výjimkou. Zde nelze tedy prakticky hovořit (co se týká harmonického zkreslení) o věrné reprodukci. U tranzistorových zesilovačů se dosahuje nízkých hodnot zkreslení zavedením záporné vazby, která má ovšem i jiné negativní následky (viz zkreslení TIM), které mohou onu kýženou věrnou reprodukci naprosto degradovat. Elektronkové zesilovače používají menší zpětnou vazbu, proto mají rovněž větší THD, ale jiné parametry jsou degradovány méně. Je tedy těžké určit, která z těchto variant je menším zlem a záleží pouze na osobním vkusu posluchače, čemu dá přednost. Ještě jedna poznámka : běžné lidské ucho prakticky není schopno rozeznat hodnoty zkreslení menší než 0,5%.

Měření: Je důležité posuzovat THD jako frekvenčně závislou veličinu, tedy měřit zkreslení v rozsahu frekvencí 20 Hz – 20 kHz. Nebo alespoň na několika kmitočtech (100Hz, 1kHz, 10kHz). První možný postup je ten, že použijeme sinusový generátor (signálový generátor s malým vlastním zkreslením nebo CD generátor), od něhož požadujeme vlastní zkreslení menší než desetina předpokládaného zkreslení, které chceme měřit. Dále budeme potřebovat přeladitelnou pásmovou zádrž a citlivý nízkofrekvenční milivoltmetr. Na generátoru nastavíme sinusový signál požadovaného kmitočtu, který vedeme do měřeného zesilovače, na jehož výstupu měříme milivoltmetrem výstupní napětí. Odečteme jej a mezi měřený zesilovač a milivoltmetr umístíme zádrž naladěnou na stejnou frekvenci jako má sinusový generátor. Teoreticky by potom údaj milivoltmetru měl ukazovat nulu. Zřejmě ji ukazovat nebude a napětí, které odečteme jsou právě ony vyšší harmonické. Podíl těchto a dříve odečtené hodnoty bez zádrže nám udává THD. Tento postup je vhodné provést v celém frekvenčním rozsahu a získat tak frekvenční závislost THD. Tento postup je velmi zdlouhavý a proto se vyrábějí specializované měřiče THD, které tuto práci velmi usnadňují. Za všechny jmenujme např. výrobky Rohde & Schwarz nebo absolutní světovou jedničku v měřící technice pro audioelektroniku, firmu Audio Precision a její výrobky System One, System Two (má digitální i analogovou doménu) a Portable, které lze použít i pro všechny další potřebná měření jako TID, jitter u CD, odstup S/Š, přeslechy,……..tento nám pak přímo zobrazí grafický průběh THD v závislosti na frekvenci. Rozlišení těchto systémů se pohybuje v oblasti 0,001 %. (Uvažte, že pokud budeme brát výstupní napětí zesilovače např. 10V bude pro hodnotu zkreslení 0,01% nutno měřit napětí vyšších harmonických v řádech desítek či stovek mikrovoltů, což klade značné nároky na měřící přístroje. Pokud budeme chtít vyhodnocovat amplitudy jednotlivých harmonických zvlášť, je nutné požít generátoru a spektrálního analyzátoru. Poslední poznámkou k THD by mělo být to, že je nutné si uvědomit, že THD je většinou uváděn vztažen k maximálnímu výstupnímu signálu (zesilovač hraje na maximální výkon). V běžném poslechu se však pohybují hodnoty středního výkonu kolem 1W, kde bývá zkreslení často mnohonásobně vyšší než u plně vybuzeného zesilovače (výjimku tvoří zesilovače pracující v čisté třídě A).

Je opět způsobeno nelinearitou převodní charakteristiky zesilovacích prvků. Jeho vznik je možno popsat následovně. Přivedeme li na vstup zesilovače dva sinusové signály o frekvencích f1 a f2 objeví se na výstupu zesilovače kromě těchto sinusových signálů ještě jejich kombinace f1+f2, f1-f2, 2f1+f1, 2f1+2f2,……………….je jich opět nekonečno.Postupem doby bylo definováno několik standardních kombinací dvou signálů používaných pro měření. Bývají uváděny kombinace signálů vzdálených (např. 700 Hz + 10000 Hz) i blízkých (např. 13000 Hz + 14000 Hz). Vyjadřuje se nejčastěji činitelem intermodulačního zkreslení TID. Vyhodnocení je podobné jako u THD, přičemž je nutné použít dvě zádrže pro oba vstupní signály. Vyhodnocování se nejčastěji provádí pomocí speciálních přístrojů (Audio Precision) nebo pomocí spektrálního analyzátoru. Opět není u moderních tranzistorových zesilovačů problém dosáhnout hodnot menších než 0,01 %.

Autoři textu: Jiří Michálek, Petr Gratz, Michal Kellner
(převzato z internetoveho e-zine AMP)