Влияние скорости нарастания напряжения, на качество звука.

[korolkov24]

Известно, что скорость нарастания напряжения УМ должна быть больше максимальной скорости нарастания звукового напряжения, умноженной на отношение напряжений питания, УМ и предварительного усилителя. Большая скорость нарастания напряжения, позволяет точнее, и быстрее исправлять ошибки по цепи ООС. Важно чтобы и сдвиг фазы был минимален. Есть множество других причин, по которым важна высокая скорость.
Хотелось бы знать мнения специалистов по допустимому нижнему порогу этого параметра, с учётом нелинейного и идеально линейного усилителя с разомкнутой OOC.
При воспроизведении реального звукового сигнала, усилителем с напряжением +-80В. максимальная скорость нарастания будет не более 2В/мкс, так как звуковой спектр имеет наклон в среднем 30дБ. Хотелось бы выслушать конструктивные мнения, основанные на теоретических выводах.
На рисунке спектр реального музыкального трека.

[MikeF]

В смысле максимальная частота?

да нет. амплитуда то максимальна у основной частоты, а если спектр ограничен откуда возьмутся гармоники высокого порядка с большим уровнем

[Olegyurich]

амплитуда то максимальна у основной частоты, а если спектр ограничен откуда возьмутся гармоники высокого порядка с большим уровнем

Я понимаю так:
Если спектр ограничен частотой, скажем 20 кгц, то если усилитель воспроизводит синус данной частоты максимальной(номинальной) амплитуды, то он и меньшую частоту с такой же амплитудой и такую же частоту меньшей амплитуды нормально воспроизведет.

[MikeF]

с этим я не спорю

[Olegyurich]

Следовательно , для звукового усилителя с амплитудой на выходе 40 В достаточно скорости нарастания 5 В/мкс.

[alex-pab]

Следовательно , для звукового усилителя с амплитудой на выходе 40 В достаточно скорости нарастания 5 В/мкс.

Так и не понял откуда такое взято. Какая же максимальная скорость нарастания напряжения исходного сигнала может быть на входе УМ? (Если чуствительность УМ 1В к примеру). Не думаю, что "средняя температура по больнице" -30ДБ явлется правильным ответом.

[MikeF]

а какая разница для скорости нарастания какое входное напряжение у усилителя?

[Nikolav]

Olegyurich, MikeF, Мужики!!! Да вы о чём?
Существует понятие "динамической линейности". Не зря же Андронников, Зуев, Агеев делают усилки со скоростью нарастания выходного сигнала 200В/мкс. Главное, чтобы ООС НИКОГДА не разрывалась, ни при каких условиях.
V=2*п*Fср.оос*Uвых.макс

Offтопик:
Или я не в теме? Начало спора не читал

[alex-pab]

Елки палки! Да ни кто не спорит, что скорость нарастания выходного сигнала должна быть на порядок выше, чем производная синусоиды на максимальной частоте. И что ООС должна не только не разрываться, но и глубина ее должна меняться в незначительной степени. Интересует статистическая информация о реальном звуковом сигнале. Есть такая инфа или нет?

Не зря же Андронников, Зуев, Агеев делают усилки со скоростью нарастания выходного сигнала 200В/мкс.

А какая у них верхняя граница по частоте (на уровне 0.5)?

[sia_2]

Интересует статистическая информация о реальном звуковом сигнале. Есть такая инфа или нет?
А какая у них верхняя граница по частоте (на уровне 0.5)?

1. При рассмотрении спектра музыкального сигнала нужно брать не усредненные за время "окна" БПФ уровни, а их истинные пиковые значения, наблюдаемые на выходах достаточно широкополосных (октавных) фильтров. Такие исследования проделал Мак-Найт еще в шестидесятых годах и пришел к выводу, что пиковые уровни на ВЧ в октавах 8 и 16 кГц, если рассматривается сигнал непосредственно с микрофонов, могут превышать среднечастотные значения, однако время существования столь мощных пиков много меньше постоянной времени интегрирования слуха, поэтому они не кажутся чрезмерно громкими.
2. По поводу скорости нарастания усилителя. Во-первых, нужно различать ЛИНЕЙНУЮ и НЕЛИНЕЙНУЮ(максимальную) скорости нарастания. Первая - отражает способносить усилителя воспроизводить с малыми (скажем, не более 0,2%) искажениями всех видов высокочастотный сигнал, а вторая - измеряемая при подаче на вход заведомо перегружающего скачка напряжения или меандра - на самом деле ничего не характеризует, т.к. это по определению нелинейный режим, независимо от того, с ООС усилитель или без.

К сожалению, везде фигурирует (и измеряется) именно вторая, так как она всегда больше первой. Разница между ними зависит от конструкции и схемотехники усилителя, и особенно велика в ОУ с "токовой" ООС и схемах УМЗЧ, построенных на основе этой схемотехники. Связано это с тем, что высокая максимальная скорость нарастания в этих схемах достигается за счет работы всех каскадов (а не только выходного повторителя) в режиме класса AB. К примеру, максимальная скорость нарастания у AD811 превышает 2000 В/мкс, но линейная - немногим больше 200...300 в зависимости от критериев линейности. У ОУ с меньшим током покоя ситуация еще плачевнее. Плюс к этому необходима симметрия скорости нарастания и спада (а на практике ее реально зачастую нет ).
Далее, "линейная" скорость нарастания - это лишь условная граница. Конечно, линейность любого усилителя будет улучшаться при уменьшении требуемой для отработки сигнала скорости нарастания/спада. Но вот зависимость эта, особенно в усилителях с ООС, может быть от довольно плавной квадратично-линейной (когда ограничение скорости нарастания возникает в первом каскаде, что характерно для 95% ОУ с ООС по напряжению и подавляющего большинства УМЗЧ) до очень быстрого спада искажений по мере снижения развиваемой скорости нарастания/спада, если ограничение скорости нарастания происходит НЕ во входных каскадах усилителя, сохраняющих высокую линейность.
Связано это с тем, что степень подавления искажений при помощи введения ООС зависит от места их возникновения, и приведенные ко входу продукты искажений при этом не подавляются совсем. Чем дальше от входа и за большим усилением находися нелинейный элемент, тем эффективнее ООС снижает его искажения. Поэтому распределение усиления и коррекции в СЛ УМЗЧ было выбрано так, чтобы обеспечить большой запас линейности входного ОУ вплоть до начала перегрузки УН по скорости нарастания, благодаря чему УМЗЧ сохраняет очень высокую линейность при отработке сигналов со скоростями вплоть до 80-90% от максимальной. В итоге на реальных сигналах (скорость нарастания которых не превышает 20-30 В/мкс) его линейность оказывается намного выше, чем у широко известных конструкций с максимальными скоростями 300-1000 В/мкс
Схемотехника входного ФНЧ в СЛ УМЗЧ выбрана такой, что на мегагерцовых частотах его перегрузочная способность превышает напряжение питания ОУ и растет с частотой..

[alex-pab]

Шикарный ответ! Очень благодарен. Такие ответы надо заносить в FAQ.
Если есть ссылочки на работу п.1, был бы очень благодарен.
И, если позволите, внесу небольшую поправочку:

Чем дальше от входа и за большим усилением находися нелинейный элемент, тем эффективнее ООС снижает его искажения

Чтобы было понятнее: имеем двухкаскадный усилитель. линейный каскад усиления напряжения и нелинейный оконечный каскад. Весь усилитель охвачен общей ООС. В результате получаем бОльшую линейность на выходе усилителя и самую большую нелинейность сигнала на выходе предоконечного, обратную нелинейности оконечного без общей ООС.

[Olegyurich]

По поводу скорости нарастания усилителя. Во-первых, нужно различать ЛИНЕЙНУЮ и НЕЛИНЕЙНУЮ(максимальную) скорости нарастания. Первая - отражает способносить усилителя воспроизводить с малыми (скажем, не более 0,2%) искажениями всех видов высокочастотный сигнал, а вторая - измеряемая при подаче на вход заведомо перегружающего скачка напряжения или меандра - на самом деле ничего не характеризует, т.к. это по определению нелинейный режим, независимо от того, с ООС усилитель или без.

Таким образом, если синус с частотой 20 кГц воспроизводится с тем же Кг(или несущественно большим) чем синус скажем 1 кГц, то скорость нарастания такого усилителя вполне достаточна?
Еще хотел прояснить для себя, раз уж Вы затронули эту тему. Насчет места возникновения искажений в усилителе. Я так понимаю, что искажения в той точке, откуда мы берем сигнал ООС, ослабляются в глубину ООС раз, причем это влияет на все элементы усилителя вплоть до звена вычитания сигнала ООС из полезного сигнала. Т.е. например был у нас Кг=1%, охватили ООС глубиной 40 дБ, стало 0.01%. Где здесь вклады отдельных звеньев(каскадов)? P.S. Статью про СЛ я читал, хотелось бы попонятнее.

[sia_2]

Таким образом, если синус с частотой 20 кГц воспроизводится с тем же Кг(или несущественно большим) чем синус скажем 1 кГц, то скорость нарастания такого усилителя вполне достаточна?
Еще хотел прояснить для себя, раз уж Вы затронули эту тему. Насчет места возникновения искажений в усилителе. Я так понимаю, что искажения в той точке, откуда мы берем сигнал ООС, ослабляются в глубину ООС раз, причем это влияет на все элементы усилителя вплоть до звена вычитания сигнала ООС из полезного сигнала. Т.е. например был у нас Кг=1%, охватили ООС глубиной 40 дБ, стало 0.01%. Где здесь вклады отдельных звеньев(каскадов)? P.S. Статью про СЛ я читал, хотелось бы попонятнее.

1. В принципе, да, но надо брать не одну частоту 20 кГц, а их набор соответственно возможному пиковому спектру входного сигнала, т.к. надеяться, что спектр на входе УМ "обрезан", далеко не всегда уместно. Были случаи появления искажений при записи железа при помощи
B&K4134+Falcon, вызванные недостаточной и несимметричной скоростью встроенного в него усилителя, там она примерно 2В/мкс при чувствительности капсюля примерно 50мВ/Па. После замены Falcon на КММ400, имеющего на порядки лучшую линейность, призвук пропал. Кстати, столь высокая линейность КММ400 мною обеспечена схемотехнически без использования ООС (для обеспечения устойчивости к любому виду нагрузки).
2. По вкладам каскадов - в ветке про СЛУМЗЧ это обсуждалось, был даже PDF на более позднюю Тексасовскую аппликуху.

[Olegyurich]

Спасибо.

[kaskod]

перегружающего скачка напряжения или меандра

А если подать меандр уровнем при котором усь не уходит в перегруз?Срорость там естественно будет меньше чем при перегрузе.Насколько информативен такой подход.?

[wert]

А если подать меандр уровнем при котором усь не уходит в перегруз?Срорость там естественно будет меньше чем при перегрузе.Насколько информативен такой подход.?

Претендовать на информативность могут те способы, которые дают конкретные результаты и результаты эти можно увязать с качеством звука, например:
1. С помощью меандра в линейном диапазоне выходных напряжений. По фронту и спаду импульса по уровням 0,1 и 0,9 определяют скорость изменения выходного напряжения. При разной амплитуде меандра в линейном диапазоне Uвых изменяется и скорость Uвых. Можно определить линейный диапазон изменения скорости Uвых. На нелинейном участке скорости активно работают эффекты Миллера и Эрли транзисторах УН и выходного каскада, загибая фронты и спады на максимумах (минимумах) меандра. В свою очередь нелинейный участок скорости порождает спектр искажений выходного напряжения – Кг, IMD, дифференциально-фазовые и пр. Понятно, что чем больше загиб фонта и спада меандра при максимальных вых напряжениях, тем хуже.
2. С помощью синусоиды. Увеличиваем частоту синуса до появления на выходе УМЗЧ пилы, несложный расчет (привязка к частоте входн. сигнала) приводит нас к скорости изменения выходного напряжения. Способ менее применяемый и менее информативен.
Повторюсь. Чем выше скорость изменения вых напряжения, тем лучше, так как тогда появляется больше шансов удержаться в рамках динамической линейности УМЗЧ, в противном случае разрывается общая ООС и звук превращается в кашу.
Известная формула динамической линейности:
VUвых ≥2ПfсроосUвых макс
где:
VUвых - скорость изменения выходного напряжения;
fсроос – верхняя частота полосы пропускания УМЗЧ (точка пересечения АЧХ с разомкнутой и замкнутой общей ООС);
Uвых макс - максимальная амплитуда выходного напряжения.
Условие динамической линейности это интегральный параметр качества УМЗЧ, а скорость изменения вых напряжения в нем определяющая.

А какую полезную информацию о скорости изменения вых напряжения можно получить при многократном перегрузе УМЗЧ меандром, я затрудняюсь ответить.

[Walter]

Увеличиваем частоту синуса до появления на выходе УМЗЧ пилы

Это слишком коммерческий способ.
По идее-до получения заданного коэфф. искажений

Еще лучше сразу треугольник подавать на вход, ввести маску для выхода. И по частоте сразу видно скорость.

[wert]

Это слишком коммерческий способ.
По идее-до получения заданного коэфф. искажений

Еще лучше сразу треугольник подавать на вход, ввести маску для выхода. И по частоте сразу видно скорость.

Это дело вкуса изменять стандартизированные методы измерений, особенно когда к тебе не предьявляют никаких требований заказчики. Я все пытаюсь осмыслить обратно пропорциональную взаимосвязь скорости изменения выходного напряжения и линейности УМЗЧ о которой уважаемый sia_2 написал: "линейная" скорость нарастания - это лишь условная граница. Конечно, линейность любого усилителя будет улучшаться при уменьшении требуемой для отработки сигнала скорости нарастания/спада". Мысли пока не складываются, может кто пояснит с привязкой к понятийному аппарату. Буду благодарен.

[Prophetmaster]

да и вообще нельзя говорить "10В/мкс мало, а вот 30В/мкс - уже достаточно". Мощность у УМ какая? Для маломощных это все будет пропорционально меньше.

Согласен. Я имел в виду мощные усилители, в моем случае - это 155 Вт/4Ом (номинал). Скорость нарастания смотрел по меандру 1 кГц на номинальной мощности при нагрузке 4 Ом.

[Scop]

Я все пытаюсь осмыслить обратно пропорциональную взаимосвязь скорости изменения выходного напряжения и линейности УМЗЧ о которой уважаемый sia_2 написал: "линейная" скорость нарастания - это лишь условная граница. Конечно, линейность любого усилителя будет улучшаться при уменьшении требуемой для отработки сигнала скорости нарастания/спада". Мысли пока не складываются, может кто пояснит с привязкой к понятийному аппарату.

Ну, в целом, мысль понятна (может, ее выражение хромает - дык не статья - всего лишь пост на форуме ): пока ни один из каскадов, усиливающих данный сигнал с конечной скоростью нарастания не искажает - это линейный режим. Как только любой из каскадов вошел в насыщение - нелинейный режим.
Кстати, очень хорошо видно в любом даташите на современный ОУ: приводится меандр на 50 мВ вых. напряжения и на 10 В. А где у этого ОУ граница линейности - то-ли на 60 мВ, то-ли на 9В - хз.

[wert]

в целом, мысль понятна (может, ее выражение хромает - дык не статья - всего лишь пост на форуме )

Согласен.

пока ни один из каскадов, усиливающих данный сигнал с конечной скоростью нарастания не искажает - это линейный режим. Как только любой из каскадов вошел в насыщение - нелинейный режим.

Линейный и нелинейный режим для скорости изменения вых напряжения, но не для амплитуды напряжен. Нижний диапазон скорости скорее линейный - фронт/спад импульса достигнет максимальной амплитуды вых напряжения усилителя без загиба. При увеличении скорости изменения фронта/спада входного импульса макс. неискаженная ампл вых. импульса уменьшается пропорционально (скорее кривопропорционально ). Эрли с Миллером работают интенсивнее для более скоростных сигналов .

А где у этого ОУ граница линейности - то-ли на 60 мВ, то-ли на 9В -

Фирмы разработчики и изготовители ОУ устанавливают свои нормы и стандартизируют методы и способы измерений, устанавливая свои значения параметров. Часто такие стандарты переходят в разряд национальных а затем и международных. Именно такая последовательность продвижения методов, способов, параметров..., т.к. все это стоит неимоверных денег, на что способны монстры разработчики и производители РЭА и комплектующих.