Zkreslení II. – Definice zkreslení

By | 24.12.2002

Zkreslení udáváme pomocí tzv. činitele harmonického zkreslení THD. Tento by měl být co možná nejmenší a vyjadřuje procentní podíl vyšších harmonických k celému signálu (napěťově). Zkreslení není jednoduché změřit, protože potřebujeme sinusový generátor o vysoké spektrální čistotě, na výstupu zesilovače ostrý filtr s spektrální analyzátor. Špičková zařízení, jmenujme alespoň výrobky Rohde & Schwarz nebo absolutní světovou jedničku v měřící technice pro audioelektroniku, firmu Audio Precision a její System One, System Two jsou investice řádu statisíců Kč. Leckdy je přínos měření sporný, protože co naplat, přístroje uši nemají !

Pro názornost k pojmu zkreslení můžeme uvést jednoduchý případ. Mějme zesilovač o výstupním sinusovém napětí 100V. Do 4 ohmové zátěže bude dávat výkon 2,5 kW. Bude mít zkreslení 1%, to znamená bude dávat 1V harmonických kmitočtů, které do signálu nepatří. Tento 1V odpovídá výkonu 0,25W na 4 ohmech. Jste shopni uslyšet tento čtvrtwatt v rachotu zhruba 140dB, který odpovídá startu proudového letadla? Z hlediska akustiky je to asi totéž, kdyby Vám někdo tvrdil, že slyší spadnout špendlík v rachotu sbíječky, nebo růst trávu. Jistě, zkreslení se měřit musí, ale udávat je pro 1kHz ve tvaru 0.0000… je nesmysl. Zkreslení by se nemělo přeceňovat, protože nikdo neuvádí např. poměry sudých a lichých harmonických. Vztah k maximálnímu vybuzení je rovněž zavádějící, protože u výkonných zesilovačů kolem 1kW na kanál mohou být přechodová zkreslení při nízkých hlasitostech zřetelně slyšet, i když bude zkreslení vycházet pod 0.1%. Proto je vhodné měřit zkreslení právě v oblasti, kde se vyskytuje, „projet“ celé pásmo frekvencí a nedostatky odstranit. Při měření přechodového zkreslení na výkonu kolem 1W je pěkně viditelné i na osciloskopu. S měřením zkreslení by se to nemělo přehánět, myslíme, že buďto se zesilovač poslechově líbí nebo ne, a když ten, co se líbí má zkreslení 0,1% není důvod ho tlačit za každou cenu do třídy 0,001%. Nejsme příznivci vymýšlení nějakého „šíleně složitého“ zapojení za každou cenu. Složitější zapojení poslechově testujeme a snažíme se je zjednodušovat do té míry, abychom nepostřehli žádný vliv na čistotu zvuku. Proto si nenechte „doblbnout hlavu“ údaji výrobců, které si stejně nemůžete ověřit.

Na druhé straně ale měřit význam rozhodně má, víme -li, co zjistit. Například výše uvedený zesilovač v případě špatně nastaveného pracovního bodu bude produkovat sice zkreslení 1% při plném výkonu, ale vztáhneme -li je k výkonu kolem 5W, může lehce překročit 10% !!. A to slyšet rozhodně bude. Kompenzace přechodového zkreslení je dost složitá záležitost, mění se totiž i s teplotou přechodů tranzistorů nebo s napájecím napětím lamp. Tedy nezáleží pouze na tom, čím budeme měřit, ale i jestli měříme na studeném nebo zahřátém zesilovači. V případě špatně provedené teplotní kompenzace např. po zapnutí nezkresluje, ale po odehrání několika minut začne.Proto někteří špičkoví zvukaři aparaturu jistou dobu „rozehrávají“. Výrobci se samozřejmě uvedenými skutečnostmi nechlubí, snaží se jen naměřit pomocí špičkových přístrojů co nejnižší údaj.

Zkreslení rozdělujeme na:
Harmonické
TIM-transient intermodulation distortion
SID-slew induced distortion
DIM-dynamic intermodulation distortion

1.) Harmonické zkreslení
Jeho vznik je způsoben nelinearitou aktivních součástek tj. diody, tranzistorů, elektronek. Nelinearity způsobují vznik vyšších harmonických složek vstupního signálu. Harmonické složky obsahují celistvé násobky frekvence vstupního signálu. Sudé harmonické složky nepůsobí tak rušivě jako liché. Nejnepříjemněji zní zkreslení třetí harmonickou – již zmíněné přechodové zkreslení, navíc se projevuje při velmi malých hlasitostech, a tak není ani maskováno signálem. Vznik zkreslení je nežádoucí, i když u elektronkových zesilovačů to jednoznačně říci nelze, zde se pohybují zkreslení okolo 5%, složitější zapojení dosahují hodnot kolem 1%, ale poslechově mohou být paradoxně horší než jednodušší klasická zapojení. V jistých speciálníc případech je zkreslení dokonce vyžadováno – např. kytarové (nástrojové) zesilovače, lze se setkat dokonce možností zkreslení regulovat např. řízením žhavení vstupních lamp. Rozlišujeme tedy pojmy věrná reprodukce a reprodukce, která se nám subjektivně líbí. Tranzistorové zesilovače běžně dosahují hodnot menších než 0.05 %, zatímco reproduktory se zkreslením pod 2% je velký problém vyrobit. Údaj o zkreslení reproduktorů ale najdete pouze u špičkových výrobků, např. profesionální reproduktory BEYMA mají udané hodnoty kolem 3%.

2.) Intermodulační zkreslení TID
Je opět způsobeno nelinearitou převodních charakteristik. 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, atd. Bylo definováno několik standardních kombinací dvou signálů používaných pro měření. Jde o signály vzdálené (např. 700 Hz + 10000 Hz) i blízké (např. 13000 Hz + 14000 Hz). Zkreslení vytváří nepřirozený studeně umělý zvuk.

3.)Zkreslení TIM
S nahrazováním elektronek tranzistory souvisí počátek hledání věrné reprodukce, hledání nejrůznějších zkreslení atd., tedy hnutí Hi-Fi. V době elektronek byla zapojení rozdělena na jednočinná a dvojčinná, pracující ve třídě B. Pamětníci nám dají za pravdu, že měla skvělý zvuk, který nebylo nutno moc vylepšovat. Svou roli sehrál jistě jeden fakt – nebyly používány silné zpětné vazby pro eliminaci zkreslení. Převodní charakteristiky elektronek nevykazují silné nelinearity, tak ani nebyl důvod pro zavedení záporných vazeb. Tranzistorové zesilovače „hifisté“ hodnotili v té době velmi špatně, jako nepřirozeně znějící, se zkreslením a „roztřepenými“ výškami.

Uvedené zkreslení má na svědomí silná zpětná vazba a nedostatečná rychlost přeběhu. Tranzistorové zesilovače se bez zpětných vazeb vůbec neobejdou, v počátcích této techniky leckdy dokonce platilo – čím víc součástek, tím horší zvuk. Přitom naměřené parametry byly proti elektronkám mnohem lepší , ve zkreslení až o dva řády, v odstupech rovněž. Vše souviselo s použitím germaniových tranzistorů, které byly dost „pomalé“ K špičkově řešeným zesilovačům z doby počátku křemíkových tranzistorů patří bezesporu zesilovače TRANSIWATT, ty používaly budič se spínacím ! tranzistorem KU611, pracujícím ve třídě „A“, který si poradil i s buzením komplementárního stupně složeného z křemíkového KD607 a germanivého 2NU74, a poslechově je i v dnešní době srovnatelný se zahraničními výrobky výrobky zvučných jmen. Hodnoty odstupu a přechodového zkreslení má ale na dnešní dobu horší, a tak není moc důvodů pro to jej dále vyrábět, pro zajímavost můžeme uvést fy. AU-RA (Rational Audio) Praha, mající je pořád ve výrobním programu za více než příznivé ceny. V době levných aktivních součástek a výkonových tranzistorů V-MOS ale výroba zesilovačů nízkého výkonu takového provedení není opodstatněná.

Jak jsme naznačili, zkreslení TIM způsobí přítomnost záporné zpětné vazby a je svázáno se zkreslením SID – nízká rychlost přeběhu. Projevuje se neschopností zesilovače sledovat vstupní signál. Nastává hlavně při buzení výškami do směrem k maximálním úrovním výstupního výkonu. Jev snadno zpozorujeme při přenosu řeči na sykavkách s,š,ž., které zesilovač doslova „rozbije“ („televizní výšky“). Projevuje se nejvíce při silném signálu o vysokém kmitočtu, a má za následek značně poslechově nepříjemné zkreslení. Při rychlé změně vyjádřené modrým průběhem – ta je pro jednoduchost naznačena obdélníkovým signálem superponovavým na stejnosměrné složce, by došlo na výstupu zesilovače s pouze omezenou rychlostí přeběhu ke zkreslení vyjádřeném červenou křivkou. Záporná zpětná vazba způsobí vznik překmitu, viz zelený průběh. Překmit vznikne díky snaze zpětné vazby „dotáhnout“ výstup na obdélníkový tvar. Protože je ale frekvenčně kompenzovaná, dojde vinou kompenzace k neadekvátnímu přebuzení koncového stupně k výskytu špičky. Ta by na zvuk neměla ještě katastrofální následky, kdyby nedošlo k její limitaci a „protažení“ díky špatně navrženému budiči. Protažení – viz horní šedivý průběh znamená katastrofální vliv na zvuk. Doba setrvání v limitaci může dosáhnout hodnot kolem 100us, a „odtrh“ zvuk silně degraduje.

Problém degradace zvuku je složitější o fakt, že zkreslení se vzájemně ovlivňují, ve výše uvedeném případě může dojít i k výskytu intermodulačního zkreslení vlivem průniku přes napájecí zdroj do signálové části.

Zkreslení SID
Pokud na vstup zesilovače přivedeme skokovou změnu napětí, na výstupu dostaneme napětí se zpožděním , úměrným rychlosti přeběhu SR zesilovače (zkreslení SID).

Zpětná vazba snižuje zkreslení ale jen do strmosti signálu SS menší než je SR zesilovače, pak se zkreslení prudce zvyšuje. Větší záporná ZV vyžaduje větší kompenzační kapacity z důvodu zajištění stability, aby nedošlo k nepříznivým fázovým poměrům a k rozkmitání zesilovače. Tím ještě více zmenšíme SR. Je možno sice konstrukčně problém obejít minimální nebo žádnou zpětnou vazbou, zhorší se ale silně zkreslení a šum. Lepší je ale dát si práci s návrhem koncového stupně tak, aby ke zmíněnému zkreslení nedošlo. Zkreslení lze eliminovat použitím vyššího napájecího napětí nebo ještě lépe uděláme, zajistíme -li pro kovnový stupeň ve špičce krátkodobě zvýšenou úroveň napětí, pak nedojde k limitaci špičky, opět jsme u větších výkonů.

Dále lze využít následujícího faktu – 1% zkreslení signálu nastává zhruba tehdy, rovná -li se strmost přiváděného signálu SR zesilovače. Zkreslení je pozorovatelné při srovnávacím testu, projevuje se jako nepěkně „nakřáplé“ výšky. Strmost sinusového signálu (max strmost je při průchodu 0):

SS=2 x 1,41 x f x Usx10e-6 [V/us]
kde Us=1,41 x Uef
Uef – výstupní napětí

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

Omezit zkreslení SID a tím i TIM můžeme velmi jednoduše. Na vstup zesilovače zařadíme RC filtr pro omezení strmosti vstupního signálu. Ten by měl ale propustit celé akustické pásmo při poklesu maximálně kolem 1dB. Hodnoty SR vyjdou ve srovnání s jinými zesilovači velmi špatně, v poslechových testech se ale dobře umisťují, i když mají SR nižší než praví vzorce. My konstruujeme zesilovače zásadně tímto způsobem. Naproti tomu mnoho rychlých zesilovačů má problémy a sklony k nestabilitě hlavně ve spojení se složitými reproduktorovými vyhýbkami, představujícími komplexní (jalovou) zátěž.

Pro kontrolu SID se může použít i superponovaný signál obdélníku a sinusovky podle IEC.
Další možná měření

Měření může hodně napovědět o kvalitě zesilovače, a to hlavně o stabilitě. Fantazii se meze nekladou. Můžete měřit např. obdélníkovým signálem při komplexní zátěži, někteří výrobci doporučují trápit koncové tranzistory pararelní kombinací odporu a kondenzátoru 2 mikrofarady, a to signálem 15 kHz. Při takovémto měření údajně nesmíme pozorovat zákmity. Obdélníkový signál do kapacitní zátěže však znamená nekonečný proud ve špičkách !. Pozor na to, že v zapojení musí být na výstupu tlumivka, jinak na osciloskopu nezpororujeme nic, v zesilovači ale oheň a ucítíme „Ampérův zápach“. Měření je nesmyslné, protože v praxi se takovéto zátěže nevyskytují. Výjimkou jsou pouze piezokeramické reproduktory, ale k těm by výrobci reprosoustav měli sériově řadit indukčnosti nebo rezistory pro kompenzaci jalové složky. Spíš se vyskytují kombinace indukčnosti a odporu (reproduktory mají zvukové cívky), proto měříme raději na zátěži, která toto simuluje.

Napsat komentář