Kezdjük cikkünket egy alaptézissel! Egy audio-erősítőben számos harmonikus torzítás keletkezik. Szerencsére a torzítások csökkentése a bevált tervezési gyakorlat követését igényli, és ha a mérnökök kellő figyelmet fordítanak a tervezésre, a teljes harmonikus torzítás akár az emberi hallásküszöb alá is csökkenthető. Ez így megfogalmazva szép és jó, de miért, honnan és hogyan?
Az audiofilek világában vannak szubjektivisták és racionalisták. A szubjektivisták olyan emberek, akik úgy vélik, hogy az erősítőknek meg kell engedni, hogy a hangot úgy alakítsák (vagyis torzítsák vagy vigyék el egy irányba), hogy az a legjobban szóljon. A racionalistáknak viszont az a véleményük, hogy egy audio-rendszernek hűen kell reprodukálni az eredeti felvételt anélkül, hogy bármilyen torzítást hozzáadna. A mi véleményünk és hozzáállásunk az utóbbival egyezik.
Senki nem képes feloldani a szubjektivisták és racionalisták közötti vitát, de a hangmérnökök hajlamosak a racionalisták oldalára állni. Szakíróként szeretjük, ha tesztelhetjük, mérhetjük és számszerűsíthetjük a rendszerek és jelek aspektusait, de nincs olyan mérés, amely számszerűsíti, hogy mi hangzik a legjobban. Azonban számszerűsíthetők az audio-rendszer azon aspektusait, amelyek megváltoztatják a bemeneti jel természetét, és ezek közé tartozik a teljes harmonikus torzítás (THD), a fáziskésleltetés, a keresztmodulációs torzítás és a zaj. A racionalisták szempontjából – mivel objektíven mérhetjük ezeket a dolgokat – a méréseket felhasználhatjuk annak meghatározására, hogy melyik audio-rendszer változtatja meg legkevésbé a bemeneti jelet.
Mielőtt belemennénk az audio-erősítők a teljes harmonikus torzításának (THD) sajátosságaiba, vizsgáljuk meg a különbséget az energiaellátó rendszerekre vonatkozó előírások/szabványok és az audio-rendszerek előírásai/szabványai között. Az energia rendszerek szabványai fontosak, mivel ezek a rendszerek és az erősítő-elektronikák által termelt THD hatással vannak az elektromos hálózatra és mindenre, ami csatlakozik lakásunk elektromos hálózatához. Az audio-rendszerek által előállított THD többnyire csak a hallgatók dobhártyájára van hatással. Ugyanakkor az energiaellátó rendszerekre vonatkozó szabályozásokat is könnyebb meghatározni, mivel csak egy alapvető frekvencia van – a vonal frekvencia, amelyhez a THD-t mérni kell.
Az audio-rendszerek viszont 20 Hz és 20 000 Hz közötti frekvencia tartományon működnek. Tehát ahhoz, hogy teljes képet kapjunk a THD-ről, számos frekvenciát kell tesztelni ebben a tartományban, és ez azt jelenti, hogy egy THD szám nem mondja el a teljes történetet. A gyártók azonban egy THD számot adnak meg, és ez egy adott frekvencián képviseli a THD-t. Ez nem jelenti azt, hogy a THD más frekvenciákon ugyanaz lesz.
Az emberi érzékelés még tovább bonyolítja a dolgokat. Az a mód, ahogyan az emberek érzékelik a felharmonikusokat, azt is jelenti, hogy egy THD érték olvasva nem ragadja meg teljes mértékben a THD a hallgatási élményre gyakorolt hatását, mivel az emberi hallás nem egyformán érzékeny bizonyos frekvenciákra. Ezen mérési nehézségek ellenére léteznek szabványok az audio-rendszerekben, amik egyszerűen leírják (anélkül, hogy útmutatást adnának a mérések elvégzéséhez), hogy milyen információkat kell megadni. Ezek a kihívások nem jelentik azt, hogy a THD mérések haszontalanok, vagy hogy kevés értelme van összehasonlítani az eszközöket. Ez azt jelenti, hogy óvatosnak kell lenni azzal, amit az erősítő specifikációi valójában mondanak.
Például ez a három THD specifikáció mind audio-erősítőkre vonatkozik, de lehetetlen összehasonlítani őket: 0,1% THD 1 kHz-en, vagy 0,08% THD 8 Ohm-ra, 0,15% THD+N 1 kHz-en névleges teljesítményen, 8 Ohm-ra 22 kHz-es sávszélességen.
E példák egyike sem ad információt az értelmes összehasonlításhoz, sőt az első két példa egyáltalán nem ad elegendő információt. A harmadik példa egy THD+N mérést ad, amely nem hasonlítható össze a lineáris THD mérésekkel. Először is mi az a teljesítmény, amelyen ezeket tesztelték, és mekkora sávszélességet teszteltek? Másodszor a THD+N a THD plusz zaj; ez egy gyakori mérés az audio-rendszerek esetében, de ha az egyik rendszer THD-t, a másik THD+N-t használ, hogyan lehet összehasonlítani a kettőt?
Egy másik példa arra, hogy a THD közvetetten része az erősítő specifikációjának, a maximális teljesítmény. A maximális kimenő teljesítmény az a kimenő teljesítmény, amely megenged egy bizonyos mértékű torzítást. Ha nagyobb torzítást engedélyezünk, nagyobb maximális kimeneti teljesítmény érhető el, így előnyös lehet a nagyobb torzítás engedélyezése. Általában ezt a teljesítménymérést akkor végzik, ha a THD 1%, de általában 10% -os THD-n is mérik. Az erősítők összehasonlításakor nagyon fontos, hogy tudni, melyik THD szintet használjuk.
A neves audio-specialista, Douglas Self nyolcféle torzítási forrást azonosít a háromfokozatú félvezetős teljesítményerősítőknél: bemeneti pár különbségek, non-linearitás a feszültségerősítő fokozatban (VAS), a kimeneti fokozat torzítása, a feszültségerősítő fokozat terhelése, a tápvonal torzítása, az indukciós torzítás, a negatív visszacsatolás torzítása és a kondenzátorok torzítása.
A bemeneti párok különbségei. A klasszikus háromfokozatú erősítő bemeneti fokozata a differenciális áramerősítési tényezőt kezelni képes tranzisztorpárból áll. Az áramerősítési tényezők nem állandók, hanem a kollektoráram értékétől függnek. Értékük a kollektoráram növekedésével erőteljesen csökken. A teljesítmény tranzisztorok áramerősítési tényezőjének maximuma amper nagyságrendű áramoknál van, de értéke lényegesen kisebb, mint a kis teljesítményű tranzisztorok esetén. Ha eltérés van a tranzisztorok jellemzői között, torzítás lép fel. Még jó illesztés esetén is a magasabb frekvenciákon a torzítás azért jelenik meg, mert a kapacitások inkább rövidzárlatnak tűnnek a magasabb frekvenciákon; a csökkentett impedancia nagyobb áramhoz vezet.
Non-linearitás a feszültségerősítő fokozatban. A lineáris modelleket a közös emitter konfiguráció kis jelű elemzésére használják, de a tranzisztor valójában nem viselkedik lineárisan. Ez a non-linearitás hozzájárul a harmonikus torzításhoz, de a nagy nyílthurkú nyereség a negatív visszacsatolási hurok használatával együtt többnyire kiküszöböli ezt a torzítási forrást.
Kimeneti fokozat torzítása. A kimeneti fokozat általában „B”-osztályú push-pull típusú erősítő. Ennek a szakasznak a fő torzítási változata a „crossover” torzítás. A kimeneti szakasz bemeneti impedanciája non-lineáris. Mivel ez az impedancia a feszültségerősítő fokozat terhelése, a VAS kimenet torzul. A feszültségerősítő és a kimeneti fokozat közötti pufferelés csökkenti ezt a torzítást.
A tápvonal függetlenítésének torzulása. A kondenzátorok leválasztása a tápvonalakon mindig szükséges, de ha ezeknek a kondenzátoroknak az áram-visszatérési útját (azaz a földet) megosztják a bemeneti vagy visszacsatoló áramkörrel, akkor a tápellátó vonalak harmonikus tartalma bevezetésre kerül a jelbe.
Indukciós torzítás. Ezt a fajta torzítást az egyenáramú tápellátás és a bemeneti és visszacsatolási útvonalak közötti induktív hatás okozza. Ez minimalizálható azáltal, hogy csökkentjük a táp- és bemeneti/visszacsatolási útvonalak interferenciáját, azaz a bemeneti és visszacsatolási jelek hurok területét a lehető legkisebbre csökkentjük, és fizikailag elválasztjuk a táp- és bemeneti/visszacsatolási áramköröket, amennyire csak lehetséges.
Negatív visszacsatolás torzítása. A kimeneti jel és az a pont, ahol ugyanazt a jelet vissza táplálják a negatív visszacsatolási útra, elméletileg ugyanaz, de mivel a vezeték/pálya ellenállása véges, a jelek valójában nem azonosak. Annak biztosítása, hogy a visszavezetés az áramkör megfelelő pontjáról származik, kiküszöböli ezt a torzulást.
Kondenzátor torzítás. Az elektrolit kondenzátorok hajlamosak torzítani a jeleket, ha csatoláshoz vagy egyenáramú blokkoláshoz használják, ha a váltakozó áramú feszültség rajtuk keresztül magas. A kerámia kondenzátorok azért is problémásak lehetnek, mert jelentős non-lineáris kapacitás változással rendelkeznek egy bizonyos frekvencia felett. Amikor az audio-jel frekvenciája megváltozik, a kapacitás is megváltozik. A kerámia mechanikai rezgéseket is felvehet, és elektromos zajjá alakíthatja (ez piezoelektromos hatás). Az audio-alkalmazásokban, váltakozó áramú csatoláshoz és egyenáramú blokkoló kondenzátorokhoz, a film kondenzátorok a legjobb választás. Az elektrolitikumok továbbra is használhatók egyenáramú szűréshez, de a kerámia kondenzátorokat kerülni kell.
A „crossover” torzítás. Ez a torzítás fajta valószínűleg a THD legtöbbet vitatott forrása az audio-rendszerekben. A keresztirányú torzítás azért fordul elő, mert egy „B”-osztályú erősítőben van egy rövid időszak, amikor mindkét kimeneti tranzisztor torzít. Ez idő alatt nincs kimeneti jel. Teljesen egyértelmű, hogy a bemeneti jeltől torzul a kimeneti jel, és hogy ebben a jelben jelentős harmonikusok vannak. A megfelelő technikák jelentősen csökkenthetik (de nem szüntethetik meg) a keresztezési torzítást. A crossover torzítás kiküszöbölése azt jelentené, hogy az erősítőket „A/B”-osztályú üzemmódba kell működetni, ami okos, de egyszerűen megvalósítható áramköri tervezési technikákkal könnyen kiküszöbölhető. Figyelembe véve ezeket a torzítási forrásokat és azok csökkentésének eszközeit, Douglas Self kifejlesztette a hibátlan erősítő koncepcióját. A hibátlan erősítő nem tökéletes, de minden könnyen kezelhető torzítási mechanizmust minimalizál. A keresztirányú torzítás csökkentésének egy módja a kimeneti tranzisztorok diódákkal történő egyszerű rendszermódosítása. Ez a módszer feltételezi, hogy a két dióda előfeszítése valamivel alacsonyabb, mint a két tranzisztor emitter kapcsolási feszültsége. Ha a diódák előfeszítése magasabb lenne, mint az alap bekapcsolási feszültség, akkor ez az erősítő már nem „B”-osztályú lenne, hanem „A/B”-osztályú. Bár ez sem szünteti meg a keresztezési torzítást de, minden bizonnyal csökkenti. Eléggé csökkenti? Nos, ez attól függ, hogy mit keresünk egy rendszerben, és az mennyi THD-t tud kezelni. Ez a THD-szint valószínűleg érzékelhető, de befolyásolja-e a hallgatási élményt? És, ha ez befolyásolja a hallgatási élményt, fizetnénk-e többet egy alacsonyabb THD-vel rendelkező audio-rendszerért? Bár a THD mérései természetesen nem szubjektívek, végső soron az audio-rendszer kiválasztása szubjektív, még akkor is, ha nem vagyunk szubjektivisták.
A torzítások legtöbb forrása gondos tervezési gyakorlattal az érzékelhető szint alá csökkenthető. Még a kimeneti torzítás is jelentősen csökkenthető, és ha hajlandóak vagyunk foglalkozni vele, akkor akár az észlelési szint alá is csökkenthető.
Douglas Self – Audio power amplifier design handbook – kiadása alapján