Sаgittarius

Неуравновешен. Склонен к офтопу и оскорблениям.
10 Дек 2021
2,758
1,414
By Bruce Hofer
Перевод с английского.

Понимание измеримого шума и искажений

Проектирование схем со сверхнизким уровнем шума и искажений - это нечто большее, чем просто хорошо продуманная схема. Из-за их влияния на измеримые шумы и искажения компоновка и качество компонентов часто являются более важными.

Позвольте мне заранее уточнить, что может быть неправильным представлением. Эта статья не о том, что делает аудиоусилитель “лучшим”, и я не претендую на качество звука. Я оставлю эти субъективные вопросы другим и вместо этого сосредоточусь на том, что мы в Audio Precision делаем уже много лет: понимание того, что на самом деле поддается измерению и какие механизмы способствуют выявленным нами несовершенствам.

Немногие аудиопродукты квалифицируются как "усилители со сверхнизкими THD+N" и для большинства целей вполне приемлемы рядовые усилители. Но для тех, кто работает в этой исключительной области, только избранный набор инструментов может раскрыть поведение, которое отделяет просто хорошее от
действительно замечательного, и для решения и улучшения созданных конструкций требуется глубокое понимание поведения схем. Это означает выход за рамки приблизительного представления уравнений Максвелла, заключенных в схеме, и сосредоточение внимания на реальной физической реализации схемы.

Является Ли Схема А Лучше Схемы В?

После многих лет работы в аудиобизнесе вы наблюдаете концепции, тенденции и идеи, которые становятся популярными среди дизайнеров в течение определенных периодов времени. Эти тенденции и концепции часто принимают форму типов схем, авторы которых утверждают, что они лучше решают конкретные проблемы или каким-то образом “звучат лучше”, чем другие. В то время как некоторые решения действительно могут эффективно решать определенные проблемы (например, защита цепи), большинство из них не становятся канонически признанными “лучшими” для аудио, потому что в физической реализации показывают нестабильность характеристик. Волшебная пуля - это всего лишь магия в подходящем контексте. В остальном он ничем не примечателен.

Схема А лучше схемы В только тогда, когда схема А реализована с надлежащим вниманием к деталям, и качество может быть легко изменено с помощью решений, касающихся смещения по постоянному току, частотной коррекции усиления, качества компонентов, компоновки и так далее.

Непредусмотренные последствия закона Ленца

Мы все помним, как изучали основы физики электричества в школе. Из самых ранних уроков мы знаем, что ток в проводнике создает магнитное поле, и наоборот, магнитные поля могут индуцировать наводки в близлежащих петлях проводника. Хотя мы явно используем это при проектировании трансформаторов, двигателей и громкоговорителей, но взаимная индуктивность проводников часто вносит тонкие эффекты в электронных схемах. При исследовании чрезвычайно низких уровней THD + N эти эффекты становятся очень важными для понимания.

Рассмотрим операционный усилитель. В этом обычном усилителе используется выход класса AB, и при настройке с обратной связью он может подавать очень линейный ток в нагрузке.

Поскольку весь ток обеспечивается шинами питания, вы можете предположить, что ток питания также очень линеен по
отношению к напряжению входного сигнала. Это было бы неверно и имело бы измеримые отрицательные последствия.

Поскольку выход операционного усилителя относится к классу AB, выходные транзисторы переходят из отсечки к активному режиму. Это означает, что форма тока в каждой шине питания содержит выпрямленную пульсирующую половину общего выходного тока, наложенную на постоянно потребляемый ток (см. рисунок 1).

Рисунок 1: Токи питания операционного усилителя на схеме выглядят нормально, однако богатые гармониками сигнала пульсации тока питания могут создавать проблемы электромагнитными наводками на чувствительные цепи.

Почему это проблема?

Вот где Ленц возвращается к нам со взаимной индуктивностью. В реальном мире токи генерируют магнитные поля вокруг проводников, которые, в свою очередь, генерируют потенциалы в соседних проводящих петлях. Если эти токи содержат гармоники, то они вполне могут “просочиться” в чувствительные цепи (например, в канал обратной связи) и породить измеримые искажения на выходе усилителя. Это не имеет ничего общего с принципиальной схемой усилителя как таковой.

При больших выходных токах это может серьезно повлиять измерения. В результате усилители мощности часто демонстрируют относительно высокие уровни наведённых таким образом искажений на более высоких частотах. Это
происходит независимо от качества компонентов или теоретических достоинств схемы в результате того, что большие токи вводят нелинейные сигналы через взаимную индуктивность в другие контуры усилителя, и это скорее функция физической компоновки, чем схемы. Такие наводки могут порождать доминирующие искажения в усилителях даже очень высокого качества.

Означает ли это, что эта проблема сразу же становится заметной? Обычно - нет, но в мире крайне низкого THD + N мы должны учитывать источники нелинейности, которые другие игнорируют. Мы должны очень внимательно изучить схемы и физическую компоновку усилителя, чтобы устранить влияние наводок.

Полигоны или дорожки?

Когда земляные полигоны не так уж хороши? Ответ таков: когда вы не знаете, как идут токи по этим полигонам.

Некоторые дизайнеры предпочитают использовать сплошной “полигон источника питания” в качестве слоя печатной платы. Как таковой, земляной полигон, безусловно, предоставляет эффективный способ передачи больших токов и, следовательно, уменьшит проблемы помех с точки зрения относительных (разностных) напряжений меж подключеными к полигону выводами элементов схемы. Сопротивление полигона очень мало и изотропно, следовательно, напряжения меж разными точками плоскости незначительны.

Но токи, видимые или нет, должны следовать определенным правилам выбора путей от точки к точке вдоль этой плоскости. Ток не будет распределен равномерно по ширине полигона, а будет следовать
по путям наименьших сопротивлений, какой бы незначительной ни была их разница. Закон Ленца в этой части статьи все еще действует. Это означает, что искажённые токи, протекающие через полигон, все еще индуцируют сигналы в другие области схемы, только теперь мы не можем избежать этих наводок более рациональной прокладкой дорожек для токов. По этой причине при разработке усилителей со сверхнизкими искажениями дорожки питания предпочтительнее широких полигонов, поскольку они дают инженеру точный выбор путей протекания искажённых токов, и, следовательно, возможность избежать их протекания через критические места, где наводки от них могут повысить искажения сигнала.
Также можно направить непослушные токи нужными путями, организуя прорези на полигонах.
.
Почему наводки - это проблема не только на ВЧ?

Хотя ранее описанные эффекты наводок более выражены на высоких частотах сигнала, но большие токи, используемые в усилителях мощности, так поднимают уровень наводок, что искажения от них легко измеряются и на относительно низких частотах, например, на 5 кГц. Потому именно внимание к деталям отделяет хорошее от великого в усилителях экстремальной линейности.

Некоторые решения для операционных усилителей

Операционные усилители - основа большинства современных аналоговых аудиосистем. Мы рассмотрим некоторые проблемы и полезные методы, могут уменьшить такие проблемы.

Развязка по питанию

Убедитесь, что источники питания дифференциально развязаны как можно ближе к операционному усилителю, чтобы свести к минимуму площадь контура протекания нелинейных токов ОУ. При расположении дорожек питания в разных слоях друг над другом магнитные поля токов питания будут компенсироваться друг другом, тем самым уменьшая нежелательные наводки на чистые цепи.

Принудительный перевод ВК в класс А

Другим частичным решением проблемы выпрямленных токов питания является принудительное включение выходных каскадов операционного усилителя в (почти) класс A путем подгрузки выходного каскада генератором тока на шину питания. При этом потребляемый ОУ ток протекает по одной рельсе и более линеен, см. рис. 2:

1641757818711.png

Токи будут более линейными, но, конечно, операционный усилитель теперь расходует больше энергии и имеет меньшую выходную мощность, что, чаще всего, не столь важно.

Уменьшение вклада полупроводниковых элементов в нелинейность каскада

Использование операционных усилителей с глубокой обратной связью уменьшает беспокойство о нелинейности дискретных транзисторов, но всё еще существует много случаев, когда предпочтительно использовать именно дискретные конструкции. Эти нелинейности существенны и могут быть хорошо оценены до создания прототипа.

Приближение рядов Тейлора хорошо работает для оценки искажений от определенных форм нелинейности, например, поведения полупроводниковых переходов. Однако оно не распространяется на все формы нелинейности.

Используйте ряд Тейлора для моделирования нелинейных эффектов в полупроводниковых переходах

Формула показывает зависимость коэффициента усиления от напряжения на полупроводниковом переходе:

1641758898814.png

Уровни второй (2HD) и третьей (3HD) гармоник могут быть рассчитаны с высокой точностью при использовании только трёх значений динамического усиления в положительном пике (AP), отрицательном пике (AN) и нулевой (A0) точках предполагаемого синусоидального сигнала:

1641759141067.png

Обратите внимание, что вторая гармоника 2HD пропорциональна VS, в то время как 3HD пропорциональна квадрату VS. Поскольку эти первые гармоники будут доминировать в общих искажениях, их достаточно для оценки.

Искажения эмиттерного повторителя

Мы сконструировали простой эмиттерный повторитель, используя транзистор MPSA18 с нагрузкой RL = 4,02 К, подключенный к -15 В, а коллектор - к +15 В, см. рисунок 3:

1641759727045.png
Качество работы повторителя со входным сигналом ±5 VPK (10 VPP) должна определяться при 21,8°C (≈295 K).
• Нагрузочный резистор 100 Ком представляет входное сопротивление гальванически связанного с повторителем аудиоанализатора.
• Резистор “Rе” моделирует динамический импеданс перехода эмиттер-база. "Rе” взаимодействует с полным сопротивлением нагрузки, обеспечивая коэффициент усиления по напряжению, немного меньший единицы и
изменяющийся от мгновенного напряжения сигнала.

Динамическое сопротивление эмиттера, Rе определяется формулой
Rе ≈ KT/QIE
где
“k” = постоянная Больцмана = 1,38065 × 10-23
“T” = 295K (игнорируем самонагрев внутри транзистора)
“q” = заряд электрона = 1,6022 × 10-19
Коэффициент усиления рассчитывается при VB = -5, 0 и 5 В:

1641760218808.png

Отсюда искажения:

1641760303694.png

Насколько хорошо расчёт отражает реальность?
Измеренные уровни 2HD и 3HD с синусоидальной волной 10 В на 1 кГц составляют -75,1 дБ и -93,4 дБ по сравнению с оценками -74,4 дБ и -92,8 дБ при разнице в 0,7 дБ и 0,6 дБ соответственно, см. рисунок 4:

1641760788566.png

Вывод

Этот метод оценки эффективен для анализа вклада искажений для любого полупроводникового перехода в конструкции и может быть использован для определения отдельных вкладов от других источников, таких как те, которые обсуждались в предыдущих разделах. Особенно рекомендуется перечитывать этот раздел о ручных расчётах искажений говнюкам типа могильного, пропагандирующим неточность симулятора как набора формул, подобных вышепреведенным.

Следующий Шаг
Резисторы и конденсаторы


В первой части этой серии описывалось, как факторы, выходящие за рамки схемы, могут
повлиять на реальное качество работы аудиосхемы. В этой части рассматриваются наиболее распространенные пассивные компоненты на печатной плате — резисторы и конденсаторы.

В центре внимания этой статьи не то, что делает аудиоусилитель “лучшим”, и я не предъявляю никаких претензий к качеству звука как психофизическому феномену. Я оставлю эти субъективные вопросы другим. Вместо этого я расскажу о том, что мы в Audio Precision делаем уже много лет — о понимании того, что на самом деле поддается измерению и какие механизмы способствуют несовершенствам, которые мы обнаруживаем.

Резисторы в аналоговом исполнении

Резисторы бывают разных форм, включающие несколько различных технологий, и они доступны по разным ценам, см. фото:

1641761191491.png
1641761226926.png
Фото 1: Несмотря на то, что резисторы для поверхностного монтажа выглядят практически одинаково невооруженным глазом и сделаны по одной и той же технологии, толстопленочные (a, b) и тонкопленочные (c) резисторы сильно отличаются.
Тонкопленочные резисторы могут иметь гораздо более меньший разброс и температурный коэффициент сопротивления, чем толстопленочные резисторы. Их сопротивление также стабильно на гораздо более высоких частотах и значительно более стабильно во времени.

Основные типы резисторов, используемых в аудио:
углеродно-композитные,
толстоплёночные,
тонкоплёночные или металлоплёночные,
фольговые
и проволочные.
В той или иной степени все эти конструкции демонстрируют два основных типа нелинейности: коэффициент зависимости сопротивления от приложенного напряжения и коэффициент зависимости сопротивления от мгновенной тепловой рассеиваемой мощности.

Я расскажу, как можно смоделировать каждый из этих эффектов и как они могут повлиять на конструкции со сверхнизкими искажениями.

Определение основных параметров резистора

Температурный коэффициент резистора
— Все резисторы меняют сопротивление в зависимости от температуры.
Температурный коэффициент сопротивления (TCR) описывает величину этой чувствительности и выражается в миллионных долях на градус Цельсия (ppm/C).

В дополнение к статическим значениям TCR - на постоянном токе - существует также динамическая составляющая, которая является результатом изменений температуры резистора во времени. Эта функция часто упоминается как коэффициент мощности резистора, так как она отражает влияние изменений температуры, вызванных рассеиванием энергии в резисторе
в результате подаваемых сигналов.

Коэффициент напряжения резистора
— В дополнение к изменению значения из-за температуры, сопротивление резистора также может изменяться в зависимости от приложенного напряжения. Коэффициент сопротивления напряжения (VCR) описывает величину этого эффекта для данного резистора. Значение VCR выражается в миллионых долях на вольт (ppm/V). Это значение, как правило, положительное и приводит к снижению сопротивления резистора при увеличении напряжения на нём.

Краткое описание типов резисторов

Не все резисторы созданы равными :). Существует много типов резисторов, каждый из которых имеет совершенно разные характеристики.

Углеродистые резисторы
Резистивный элемент резистора с углеродным составом представляет собой компактную смесь углерода и керамики, скрепленных вместе смолой.
Опытные читатели, вероятно, помнят, что до 1970-х годов резисторы с углеродным составом были чрезвычайно распространены. Сегодня это неверно, и на то есть веские причины. Резисторы с углеродным составом обычно имеют большой разброс сопротивлений (обычно от 5% до 20%); плохой TCR (обычно от 150 до 1000 ppm/C) — и хуже при более низких значениях. Эти резисторы также имеют высокий уровень модуляционного шума и высокую зависимость сопротивления от напряжения по сравнению с другими типами.
Несмотря на то, что резисторы из углеродного композита все еще полезны в некоторых приложениях, не связанных с аудио, они не рекомендуются для высоколинейных аналоговых конструкций. Одним из интересных звуковых исключений является конструкция гитарного усилителя с вакуумной лампой, в которой все еще ценятся характеристики искажений ранних эпох :):):).

Толстопленочные резисторы
Резистивный элемент толстопленочного резистора представляет собой проводящую пленку, нанесенную на
поверхность цилиндрической или прямоугольной подложки.
Стойкость определяется составом пленки и рисунком травления. Этот тип резистора в настоящее время популярен для
применений общего назначения. Он обеспечивает гораздо лучшее качество, чем резисторы композитного типа.
Толстопленочные резисторы имеют малые разброс сопротивления (от 0,1% до 2%), хороший TCR (обычно от 100 до 250 ppm/C), адекватный VCR, который значительно варьируется от марки к марке, но может достигать 10 ppm/V) и адекватный
шум модуляции.

Тонкопленочные (металлоплёночные) резисторы
Резистивный элемент тонкопленочного резистора представляет собой стабильную проводящую пленку который распыляется на поверхность цилиндрической или прямоугольной подложки. Сопротивление определяется толщиной пленки и её рисунком.
Тонкие металлопленочные резисторы обеспечивают превосходную производительность по сравнению с их толстопленочными аналогами, но при гораздо более высокой стоимости. Тонкопленочные резисторы обеспечивают низкие pразбросы сопротивлений (от 0,02% до 1%), отличный TCR - обычно от 5 до 25 ppm/C, но может падать и до 2 ppm/C, отличный VCR (от 0,1 до 1,0 ppm/V) и отличный шум модуляции.

Фольговые резисторы
Резистивный элемент резистора из металлической фольги представляет собой специальную легированную металлическую фольгу, приклеенную к инертной подложке. Сопротивление определяется характеристиками и рисунком фольги. Обрезка
выполняется путем открывания звеньев в узоре фольги, который более стабилен, чем обрезка среза типа "L”.
Резисторы из металлической фольги обладают наилучшим качеством при постоянном токе. Они также имеют высокую стоимость.
Резисторы из металлической фольги обеспечивают исключительно низкие разбросы сопротивления (до 0,001%), выдающийся TCR (всего 0,05 ppm/C), выдающийся VCR (обычно менее 0,1 ppm/C) и чрезвычайно низкий уровень шума модуляции.
Однако похвала резисторам из металлической фольги сопровождается
предостережением. Их искажения при низкочастотной модуляции напряжением могут быть намного хуже, чем ожидалось.

Проволочные резисторы
Резистивный элемент резистора с проволочной обмоткой - провод с низким температурным коэффициентом сопротивления, намотанный на подложку. Его сопротивление определяется составом сплава, длиной и толщиной провода.
Резисторы с проволочной обмоткой обычно подходят только для небольших значений сопротивления. Они могут выдерживать высокие пиковые и средние значения мощности.
Их сопротивление почти не зависит от напряжения, но благодаря сочетанию низких сопротивлений, большой паразитной индуктивности и других паразитных эффектов они редко встречаются в современных аудиосхемах.
.
Нелинейность сопротивления резистора
Резисторы проявляют нелинейность от двух источников:
коэффициент напряжения и коэффициент мощности (тепловой).
Чтобы понять различия, я объясню, как эти нелинейности моделируются.

Нелинейность коэффициента напряжения резистора
В большинстве распространенных электронных конструкций вличяние VCR считается незначительным. Это не относится к
проектированию устройств со сверхнизкими искажениями. Обратите внимание, что в то время как VCR и последующий TCR
на практике взаимосвязаны, они представляют собой совершенно отдельные явления, что необходимо принимать во внимание.
Модель (формула), обычно используемая для моделирования (расчёта) нелинейности коэффициента напряжения, зависит от приложенного напряжения, как показано ниже:

1641764074715.png

Поскольку в этой модели используется абсолютное значение приложенного напряжения (VS), использование ряда Тейлора
нецелесообразно. Однако мы можем оценить искажения, используя быстрое преобразование Фурье (БПФ) произведения синусоидального сигнала, умноженного на его полноволновую выпрямленную версию (например, БПФ
sin (wt) × |sin (wt)|). Из этого следует, что вторая гармоника равна нулю.

Перевод продолжается и до его окончания свои ценные замечания постарайтесь не вставлять.
 

Sаgittarius

Неуравновешен. Склонен к офтопу и оскорблениям.
10 Дек 2021
2,758
1,414
Предполагая отсутствие значительной постоянной составляющей тока, тогда:

1642176122196.png
Обратите внимание на пропорциональность VS, а не VS в квадрате, как можно было бы ожидать, если бы вы использовали модель ряда Тейлора для нелинейности. Ну, да, мы могли бы.

1642176454829.png

Другими словами, величина пятой гармоники оценивается примерно на -17 дБ ниже
третьей гармоники. Ясно, что нелинейности, происходящие в соответствии с этим механизмом, обусловлены присутствием третьей гармоники.

Нелинейность коэффициента мощности резистора

Нелинейности, возникающие в результате рассеивания мощности в резисторе, являются результатом изменений температуры, образуя корреляцию между подаваемыми сигналами и TCR. Просто взглянув на статическую модель коэффициента мощности, мы можем смоделировать её как:

1642176619702.png

Где Kр - коэффициент мощности, а Ps - мощность, рассеиваемая резистором. Коэффициент мощности
выражается в единицах промилле, и может быть как положительным, так и отрицательным.

Нелинейность тепловой модуляции резисторов
Модель коэффициента мощности представляет собой статическое описание эффектов внутреннего нагрева из-за приложенного напряжения. В аналоговом исполнении со сверхнизким THD + N на результат могут повлиять онлайн-вариации, которые коррелируют с изменениями сигналов.
Поскольку резистор не может мгновенно отводить тепло, эффекты изменения температуры, вызванные
подаваемыми сигналами, являются сложными функциями частоты, которые сильно зависят от размера резистора, его расположения и конструкции.
Тепловую модуляцию можно смоделировать следующим образом:

1642176891577.png

Где Z(ω) - тепловое сопротивление резистор-среда(?) как комплексная функция частоты.
Как ω -> 0, | Z(ω)| -> θr, или тепловое сопротивление постоянному току.

Тепловая модуляция на очень низких частотах
На очень низких частотах (обычно менее 0,2 Гц) резистор достигает теплового равновесия так же быстро, как изменяется сигнал. Для прогнозирования эффекта можно использовать такую формулу:

1642177189911.png

Предполагая отсутствие значительного смещения постоянного тока:

1642177396507.png
1642177416480.png

Сравните это с 5HD ≈ 3HD / 7 для искажения коэффициента напряжения резистора.

Тепловая модуляция на низких частотах
В диапазоне от 5 до 200 Гц величина Z(ω) обычно (хотя и не всегда) намного меньше, чем θr, приближаясь к нулю выше 1-5 кГц.
Есть исключения. Мои недавние эксперименты (которые также подтверждены другим человеком) показывают, что некоторые резисторы из металлической фольги с исключительно низким TCR ведут себя так, как будто | Z (ω) | >> θr, что приводит к более высоким искажениям модуляции, чем тонкопленочный резистор с большим TCR при идентичных условиях.

Управление эффектами нелинейности резисторов в аудиосхемах
Механизмы, описанные ранее, могут оказывать измеримое влияние на аудиосхемы.

Влияние Коэффициента напряжения Резистора
Даже низкие значения VCR могут привести к измеримым искажениям. Рассмотрим один резистор ООС в усилителе, обеспечивающий выход 50 В, что не является редким значением в конструкциях с высокой выходной мощностью. Даже если этот резистор обеспечивает приличный VCR в 10 ppm / В, теперь он вносит искажения на 0,05%, что очень существенно.
Теперь подумайте о том, что существует множество резисторов и все они вносят разный вклад и в разной степени. Разумный выбор резисторов может реально повлиять на качество ваших усилителей.

Нелинейность снижения коэффициента напряжения
Используйте тонкопленочные резисторы для большинства применений. Эти резисторы намного лучше, чем толстая пленка, по отношению к VCR в 5-10 раз. Никогда не используйте углеродистые резисторы, если только не требуется высокая степень искажений VCR.
Использование нескольких последовательных резисторов может значительно уменьшить проблемы, связанные с VCR. Цепь из n одинаковых резисторов последовательно уменьшает приложенное напряжение на каждом из них до U/n, тем самым уменьшая влияние VCR.
 

О Нас

  • Наше сообщество существует уже много лет и гордится тем, что предлагает беспристрастные и критические обсуждения среди любителей радиоэлектроники. Мы каждый день работаем над тем, чтобы быть лучше.

Быстрая Навигация

Пользовательское Меню