При записи грампластинок для повышения отноше-ния сигнал/шум предусматривается подъем высоких час-тот. Да и сам электромагнитный звукосниматель, как отмечалось, дает почти линейный рост ЭДС с частотой, начиная от самых низких частот. В силу этого для работы с электромагнитными звукоснимателями нужно применение усилителей-корректоров с нормированной АЧХ. Коррекции подлежат два участка частотного диапазона. В диапазоне частот от 50 до 500 Гц усиление должно падать с крутизной 20 дБ/декаду. В диапазоне от 500 до 2000 Гц оно остается постоянным,а начиная с частоты 2,12 кГц вновь должно линейно падать. Кривая АЧХ является обратной кривой зависимо-сти колебательной скорости резца при записи, которая нормируется по международным нормам.

Итак, на АЧХ заметны три характерные частоты, задающие ее вид: 50, 500 и 2120 Гц. Им соответствуют постоянные времени 3180, 318 и 75 мкс. Они позволяют рассчитать корректирующие RC-цепочки в схеме усилите-ля-корректора. Эти цепи могут быть выполнены в виде пассивных цепей коррекции или в виде элементов коррек-ции, включенных в цепь отрицательной обратной связи.

Необходимость введения коррекции усложняет схему усилителя. Обычно применяется специальный корректи-рующий усилитель, дотягивающий сигнал с выхода звуко-снимателя до типичного для остальных источников сигна-лов уровня порядка 0,15—0,3 В. Разумеется, учитывая малый уровень выходного напряжения современных зву-коснимателей, усилитель должен быть с предельно малым уровнем собственных шумов и наводок. Любители считают высшим шиком ламповый корректирующий усилитель, хотя получение от него малого уровня шумов более чем проблематично.

Аббревиатура RIAA, хотя и принадлежит Американской ассоциации звукозаписывающей индустрии, начиная с 1954 года она фактически ассоциируется во всем мире со стандартом коррекции частотных характеристик долгоиграющих виниловыхгрампластинок в противовес существовавшим многочисленным стандартам для старых патефонных пластинок, которые были рассчитаны на скорость вращения 78 оборотов в минуту. Хотя в Европе и не приветствовалось введение стандарта, разработанного Американской ассоциации звукозаписывающей индустрией (стандарта RIAA), но введение общего международного стандарта все-таки становилось велением времени. Международная электротехническая комиссия, МЭК, (IEC), ввела стандарт частотной коррекции для долгоиграющих виниловых грампластинок, который оказался практически идентичным американскому стандарту. Единственное отличие заключалось в том, что стандарт МЭК рекомендует производить срез нижних звуковых частот в режиме воспроизведения грамзаписи, причем, с целью уменьшения НЧ рокота (так называемого рокот-эффекта, вызываемого биением частоты вращения диска), рекомендуется вводить ослабление с уровнем -3 дБ на частоте 20 Гц (при переводе во временные характеристики это соответствует постоянной времени 7950 мкс). Большая часть производителей высококачественных предусилителей посчитала, что их оборудование будет укомплектовано электропроигрывателями высокого качества, поэтому проблема рокота их не будет касаться, в силу чего требования МЭК ими были проигнорированы. Следовательно, используемый ими стандарт выравнивания частотных характеристик грампластинок фактически являлся стандартом RIAA.
Тем ни менее, на производителей аппаратуры до сих пор зачастую оказывается сильное давление на предмет изменения параметров проигрывателей, соответствующих стандарту RIAA вводя коррекцию амплитудно-частотной характеристики в области низких частот.

Такая политика определяется тем, что:

• часть ламповых усилителей мощности оказывается чувствительной к насыщению магнитного сердечника выходного трансформатора в случаях, когда на низких частотах (менее 50 Гц) поступает сигнал большой амплитуды (в том числе и от рокот-эффекта);
• НЧ громкоговорители отражательного типа очень легко перегружаются при частотах, ниже частот их акустического среза из-за слишком малого демпфирования, вызываемого движением диффузора. Для громкоговорителей отражательного типа, установленных на отражательных досках, характерна частота среза чуть ниже 100 Гц, тогда как для свободно стоящих отражательных громкоговорителей нижняя граница сдвигается до 50 Гц, или даже еще ниже;
• записи на долгоиграющих виниловых грампластинках характеризуются низкочастотным (менее 20 Гц) шумом из-за деформаций и вибраций диска проигрывателя.

Таким образом, из вышесказанного следует, что все эти проблемы могли бы быть сняты введением низкочастотной коррекции в каскаде воспроизведения аппаратуры, соответствующего стандартам RIAA.
Одним из возможных позитивных подходов к этой проблеме является возможное принятие рекомендаций МЭК относительно постоянной времени 7950 мкс, но более разумным решением было бы введение соответствующим образом рассчитанного фильтра высоких частот, имеющего на краю диапазона ослабление порядка 12 дБ на октаву, или же еще большее значение, с резонансной частотой порядка 10 Гц (так называемые резонансные рокот-фильтры для подавления НЧ шумов, определяемых несовершенством механической части проигрывателя). Плеер компакт-дисков как-то не выявил необходимости введения фильтра нижних частот с резонансной частотой 10 Гц для решения проблем, связанных с плохо сконструированными громкоговорителями или с вызывающими вопросы выходными трансформаторами. Но тогда сразу же возникает вопрос, а причем же здесь виниловые долгоиграющие грампластинки? Коробление и рокот являются в чистом виде проблемами механической части, и, следовательно, должны решаться чисто в этих рамках, а не с использованием электрических ухищрений.

Практически любую аудиосистему можно заставить играть лучше. И это то, чем я люблю заниматься, неважно, стереофоническая система или мультиканальная, для музыки она создана или для кино. Основные принципы улучшения звука - тщательные поиски «узких» мест. Все знают, что компоненты должны соответствовать друг другу, но часто забывают, что при инсталляции могут быть допущены ошибки.

Для поиска проблем следует использовать специальные измерительные приборы или программные продукты - REW, ARTA и другие. Благо их достаточно на рынке - созданных энтузиастами и распространяющихся бесплатно. Я обычно работаю с программой REW и USB-микрофоном Umic-1 или использую румкорректор-кроссовер Trinnov ST2 из своей домашней стереосистемы. Последний удобен тем, что показывает результаты наглядными графиками и позволяет проконтролировать не только стандартные характеристики (АЧХ и ФЧХ), но и так называемые «безэховые» измерения АЧХ, импульсную характеристику, групповое время задержки и время отклика комнаты в зависимости от частоты. Изучение и сопоставление полученных данных помогают определить дефекты системы и наметить пути ее улучшения.

Влияние комнаты

Начать, пожалуй, следует с показательного графика, на котором совмещены кривые АЧХ системы с учетом отклика комнаты (сиреневый цвет) и т.н. «безэховые» измерения, где влияние комнаты максимально отброшено из рассмотрения. Прошу обратить внимание, что цена деления - 5 дБ, и средняя разница между АЧХ прямого звука и общей АЧХ составляет примерно 6 дБ по НЧ/СЧ диапазону - это и есть влияние комнаты на звук. Т.е. данное помещение практически удваивает звуковое давление от АС, причем делает это с некоторой задержкой. Комната для рассмотрения выбрана стандартная: 24 кв.м., ковер на полу, мягкий диван, пара кресел, пенополистороловые плиты на потолке - вот и все звукопоглощение.

Вот как отклик этой же комнаты (реакция на импульс) выглядит во времени:

По вертикали - частота, по горизонтали - время в миллисекундах, цветом обозначена амплитуда в дБ

Здесь показана реакция комнаты на одиночный импульс. Когда музыка закончилась, комната продолжает играть сама по себе. График показывает, что затухание звука в басах происходит более чем 0,6 секунды!

В итоге становится ясно, что комната влияет на звучание системы, и слушатель это заметит и в составе самого звука (ранние отражения), и как эффект эха. Наш слух устроен таким образом, что мы не всегда воспринимаем влияние комнаты как помеху. Подсознательно человек пытается определить, где он находится, и делает это обычно по реверберационным призвукам, сопровождающим любой звук в помещении. Предположительно навык этот достался нам от далеких предков, живших в пещерах.

В домашних условиях получается, что слушатель воспринимает как бы два пространства одновременно: комнату, где он находится, и комнату, в которой проводилась запись (или имитацию пространства искусственной реверберацией, добавленную в студии). Вообще такое «раздвоение» приводит к дискомфорту, поэтому лучше, конечно, двойственность эту исключить, т.е. сделать в акустической обработке помещения упор на рассеивание или на поглощение звука. Это если мы говорим о комнате для прослушивания музыки. Ранее я писал, что - там корректно делать только заглушение. Но это уже относится к акустической обработке, поэтому вернусь к теме статьи - электронной коррекции помещения.

Аналог и цифра

Для стереосистем наличие аудиопроцессора - большая редкость. Корни этого явления растут из главной аудиофильской догмы - «максимально короткого тракта», который подразумевает минимальный набор элементов в системе - только самое необходимое. Ведь нередко из тракта изымают не только регуляторы тембра, но даже регулировку громкости! И при этом забывают, что такой аудиофильский тракт (как, впрочем, и любой другой) требует специальной акустической комнаты для прослушивания. Для подобных помещений существуют стандарты, которые нормируют время спадания звука до уровня -60 дБ (акустический параметр RT60). Однако для этого потребуются дополнительные вложения - свободное пространство, отделенная комната и т.п. Поэтому чаще всего акустическая обработка напрочь отсутствует или сводится к минимуму: ковер на полу, мягкая мебель, шторы, значительно реже - рассеиватели в зонах первых отражений. Вот в этом случае особенно полезна будет румкоррекция для устранения неполадок, особенно в НЧ-диапазоне.

Фанаты аналогового звука самого высокого класса могут попытаться найти студийные аналоговые параметрические фильтры на вторичном рынке или заказать прибор мастерам - современного производства такой техники практически не осталось.

Намного проще использовать цифровую технику, тем более, выбор здесь большой: от компьютера с программой, студийных процессоров - до аппаратов, специально предназначенных для румкорреции (как DEQX, Trinnov, MiniDSP, DSPeaker и прочих) на любой вкус и кошелек. Иногда такие процессоры имеют дополнительные возможности, как сетевые проигрыватели, встроенные кроссоверы, различные «улучшайзеры» звука. И наконец, современные AV-рессиверы и процессоры мультиканального звука практически всегда оснащены алгоритмами румкоррекции, из популярных - Dirac и Audyssey с возможностями ручной подстройки и параметрическими фильтрами. Более дорогие решения могут использовать алгоритмы Trinnov, а например, в комплект JBL Synthesis сразу входят студийные процессоры BBS с оригинальным софтом. Кстати, цифровые аудиопроцессоры часто оснащаются аналоговыми входами.

Шесть шагов к лучшему звуку

Теперь ответим на вопрос: что именно можно (и нужно) корректировать в домашней системе звуковоспроизведения?

1. На первое место я бы поставил выраженные комнатные резонансы, они мешают прослушиванию больше всего, поскольку никогда не воспринимаются как органичная часть звука, существуют отдельно от него, и это постоянное «подгуживание» комнаты на одном и том же тоне быстро утомляет слушателя. Вот как выглядит типичный комнатный резонанс на графике АЧХ системы до и после его коррекции (верхний и нижний графики соответственно):

На частоте 45 Гц амплитуда комнатного резонанса достигает 20 дБ! От этого гудения можно избавиться, если «вырезать» резонансный пик параметрическим эквалайзером.

Параметрический эквалайзер регулирует уровень звука на заданной частоте, и можно определять ширину этой частотной полосы (добротность), в отличие от более простого «графического» эквалайзера, имеющего фиксированную сетку частот и полосы регулировки. Широко распространенный «третьоктавный» эквалайзер, как следует из его названия, имеет добротность в 1/3 октавы, в то время как на низких частотах комнатные резонансные пики имеют типичную добротность в 1/10-1/12 октавы. Другими словами, для решения типичных проблем третьоктавный эквалайзер не подойдет.

Однако у параметрических эквалайзеров есть и свой недостаток - мы удаляем из прямого звука ту ноту, на которой «возбуждается» помещение. Но в итоге мы все же слышим эту ноту после того, как она отразится от стен, срезонирует и восстановится в исходной громкости. Из-за этой задержки и считается, что лучше вообще не делать электронную коррекцию комнаты. Однако как иначе убрать показанный выше пик АЧХ на 45 герцах? Построить акустические поглотители такого размера нереально. Поэтому из двух зол мы выбираем меньшее. Стоит отметить, что алгоритм Trinnov для подавления низкочастотных резонансов использует специальные техники, как подавление первичных отражений с помощью генерируемых импульсов, которые подаются в противофазе к месту прослушивания и управление амплитудой путем сдвига фазы одной из АС в НЧ-диапазоне.

2. На втором месте по нежелательному влиянию - отражения от близких поверхностей, т.н. SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). В я уже описывал этот эффект, приводящий к глубоким провалам и подъемам АЧХ системы. В отличие от комнатных резонансов, SBIR-эффект приходит с минимальной задержкой, поэтому его можно корректировать электронным способом без нежелательных последствий для звука. Для этого применяются звуковые процессоры разных типов: они позволяют формировать АЧХ системы, в том числе параметрические фильтры лишь с одной оговоркой - пики звука, вызванные SBIR-ээфектом, регулируются легко, а с провалами ситуация иная. «Вытянуть» частоту можно, если только каждый элемент системы (предусилитель, мощник, АС) позволит передать эту самую усиленную часть сигнала без искажений. Система должна иметь запас по перегрузке для подобной коррекции. Поэтому, как правило, для исправления «провалов» в АЧХ не используют усиление больше 6 дБ. А если «провал» ушел вглубь на -10 или -20 дБ, его лучше вообще не корректировать, в противном случае это даст только отрицательный эффект.

3. Третьим пунктом станет коррекция краев частотного диапазона. В данном случае мы изменяем прямой сигнал, поэтому можно использовать любой алгоритм из тех, что есть в системе. Сравнительно легко немного расширить низкочастотный диапазон системы (при наличии запаса по перегрузке), а вот в высокочастотном лучше ничего не трогать: верхняя граница определяется физическими параметрами динамиков, и попытка коррекции лишь увеличит искажения.

4. Дальше нужно корректировать дефекты АЧХ самой системы - обычно это сопряжение кроссоверов в колонке и ее резонансы. СЧ/ВЧ-диапазон можно регулировать с помощью тех же параметрических эквалайзеров, но делать это нужно осторожно, чтобы не навредить звучанию - не более двух-трех фильтров на диапазон, и ни в коем случае фильтры не должны пересекаться на одной частоте, потому что возникнет «излом» фазы, который испортит звук. Для более точной коррекции лучше применять процессоры, способные управлять АЧХ, не меняя фазу сигнала.

5. Пятый пункт - коррекция тонального баланса с учетом влияния комнаты. Здесь уже параметрические фильтры не подойдут, нужно использовать процессор, позволяющий задать требуемый наклон АЧХ и частоты, с которой этот наклон начинается. Данный функционал встречается даже в недорогих ресиверах и процессорах (т.н. «параметрический регулятор тембра»), но для максимального качества я бы советовал использовать специальные звуковые процессоры, пришедшие из профессионального звука, у которых есть сразу несколько типов эквализации. Ниже на картинке - типичная форма целевой кривой (форма АЧХ на месте прослушивания, к которой надо стремиться) в большинстве случаев. В зависимости от комнаты и ее акустической обработки может варьироваться подъем на низких частотах и спад на высоких. Некоторые модели АС позволяют задавать спад/подъем частотной характеристики в области СЧ/ВЧ специальными регуляторами или переключателями, их также следует использовать для коррекции тонального баланса.

6. Наконец, большинство процессоров румкоррекции позволяет точно делить спектр на полосы - т.н. «активный кроссовер». Его можно использовать для создания мультиампингового подключения, когда пассивные фильтры исключаются из акустической системы, а поделенный на частотные полосы сигнал подается на раздельные усилители по одному на каждый динамик. Такую реализацию мы часто видим в профессиональном аудио: именно она позволяет значительно повысить качество звучания АС и лучше настроить их под особенности комнаты. Понятно, что этот способ требует увеличить количество каналов усиления.

Все вместе

Лучший результат достигается в условиях, когда акустическая обработка комнаты дополнена электронной румкоррекцией на низких частотах, где акустическая обработка попросту неэффективна. В свою очередь, электронная коррекция СЧ/ВЧ-диапазонов может привнести нежелательные искажения в звук, и наоборот, акустическая обработка не потребует больших вложений.

Цифровые процессоры румкоррекции могут очень сильно улучшить качество звучания, если вместе с ними использовать активные кроссоверы и собрать мультиампинговую систему.

Что же нам может дать цифровая обработка в акустических системах? Во-первых, хочу сразу оговорить, что не существует волшебной платы, установив которую в недорогую систему, получим волшебный звук. Акустические проблемы колонки должны лечиться акустическим путем. Например, нельзя устранить цифровой обработкой проблемы, связанные с резонансами корпуса акустической системы, стоячими звуковыми волны внутри корпуса, органные резонансами трубы фазоинвертора. В первую очередь нужна правильно спроектированная акустическая система с хорошо подобранными компонентами. Но все же некоторые параметры поддаются коррекции с помощью цифровой обработки звука. Рассмотрим результаты на живом примере.

В качестве подопытного кролика используем систему CL3212 производства фирмы PARK AUDIO. Система представляет собой громкоговоритель состоящий из 12” головки 12CL76 и 1” драйвера DE250 производства итальянской фирмы B&C Speakers(Италия). Для начала рассмотрим работу пассивной системы. Пассивная система – это система, не имеющая встроенного усилителя и использующая для разделения частотного спектра на полосы пассивный кроссовер. В системе CL3212 для низкочастотного динамика использован фильтр 2-го порядка с крутизной спада 12 дБ/октаву а для высокочастотного динамика — фильтр 3-го порядка с крутизной спада 18 дБ/октаву.

Рис.1 Теперь проведем измерения акустической АЧХ на расстоянии 1 метр от колонки

Рис.2 АЧХ пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Мы видим, что в то время, как АЧХ системы достаточно линейна, фазовая характеристика этим похвастаться не может. Возможности пассивного фильтра ограничены. В частности довольно сложно с его помощью совместить акустические центры головок. Для этого требуется вводить задержку электрического сигнала, подаваемого на одну из головок, а в пассивном фильтре это сложно реализовать. Можно попытаться откорректировать АЧХ пассивной системы с помощью параметрической эквализации.

Рис.3 АЧХ эквализированной пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы стала более линейной, но ФЧХ выровнять не удалось. Современные методы цифровой обработки сигналов позволяют решить эту проблему. Предварительно хотелось бы немножко рассказать о теоретических основах. В описаниях акустических систем или звуковых процессоров периодически встречается термин – FIR фильтрация.

Что это такое? Вкратце рассмотрим разницу между двумя классами фильтров, применяемыми в обработке звука: IIR фильтры От Infinite Impulse Response, на русском – фильтры с бесконечной импульсной характеристикой. Это цифровая реализация привычных нам аналоговых фильтров. Описываются они привычными нам терминами: фильтр верхних частот Батерворта 4-го порядка (крутизна спада 24 дБ/октаву), частота среза 1500 Гц. Также к этому типу фильтров относятся параметрические корректоры АЧХ (привычные нам эквалайзеры). Они обычно описываются параметрами: частота настройки, уровень подъема/спада и ширина полосы или добротность). Такие фильтры просты в реализации. Они являются так называемыми минимально-фазовыми фильтрами. Это означает, что любое изменение АЧХ неизбежно меняет фазовые соотношения в сигнале. Чем выше крутизна среза фильтра или добротность полосового фильтра – тем больше получаем сдвиг фаз на частоте среза.

FIR фильтры От Finite Impulse Response, на русском – фильтры с конечной импульсной характеристикой. В аналоговом виде такие фильтры реализовать невозможно. Главным достоинством FIR фильтров является то, что они позволяют корректировать АЧХ сигнала, не влияя на его фазу. С ними мы можем использовать разделительные фильтры, не вносящие сдвига фаз на частоте перегиба и использовать эквализацию, не вносящую фазовых сдвигов на корректируемых частотах. В общем можно сказать так: эти фильтры делают именно то, что должны делать, и ничего более. Но, к сожалению, не обходится и без недостатков. FIR фильтры вносят задержку в обрабатываемый сигнал, причем, чем более низкочастотный сигнал нам нужно обработать, тем большую временную задержку внесет наш фильтр. Если для бытовых систем, которые обычно работают самостоятельно, можно позволить довольно большие величины задержки, то в профессиональной акустической системе, которая практически всегда работает совместно с другими системами (например с сабвуферами) задержки более 2 мсек недопустимы. Поэтому частотный диапазон обработки FIR фильтров обычно ограничивается средними и высокими частотами. Для коррекции низкочастотного диапазона используют традиционные IIR фильтры. Давайте посмотрим, какой станет наша система после разделения полос и коррекции АЧХ с помощью FIR фильтров. Настроим эту же систему в активной Bi-Amp конфигурации. Каждая из головок подключена к своему каналу усиления, а разделительные фильтры и коррекция АЧХ реализованы с помощью процессора (DSP), входящего в состав усилительного модуля DX700DSP.

Рис.4 АЧХ системы CL3212, раздельные усилители НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации. Измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы превратилась практически в прямую линию, фазочастотная характеристика в области средних частот также стала практически прямой линей. В области низких частот выровнять фазу не удается, т.к. вследствие больших задержек обработки на низких частотах нельзя использовать FIR фильтрацию Теперь попытаемся понять, как влияет линейность фазовой характеристики на воспроизведение звука акустикой. Для тестирования используем в качестве тестового сигнала меандр (прямоугольные импульсы). «Идеальный» меандр представляет собой сумму бесконечного числа синусоид, каждая из которых имеет свою амплитуду и фазу. Поэтому при прохождении меандра через аудиосистему можно выявить проблемы в временной области. Все синусоидальные компоненты должны быть переданы системой без искажений времени прихода для того, чтобы получить на выходе опять прямоугольную волну. Важно осознавать, что задержка по времени системы не должна быть равна нулю. Но она должна быть одинаковой для всех частот в пределах полосы пропускания системы. Такое условие будет легко выполняться, если тестируемая система имеет ровную фазовую характеристику. Даже притом, что никто не слушает меандр через акустические системы, он представляет собой четкий тестовый сигнал, глядя на который очень легко увидеть временные искажения сигнала, проходящего через громкоговоритель. Амплитудные или временные искажения сразу видны и это помогает понять причины искажений. Итак, попробуем пропустить прямоугольный сигнал через нашу систему с пассивным фильтром:

Рис. 5 Меандр на выходе CL3212 с пассивным фильтром

На фронтах полученных импульсов видна неидеальная временная стыковка сигналов от НЧ и ВЧ головок, а на плоской части – неравномерность, вызванная неравномерностью АЧХ системы. Это дает нам два ключа для улучшения формы выходного сигнала: — сгладить частотную характеристику. — улучшить временную стыковку динамиков между собой (это даст, в том числе, выравнивание фазовой характеристики системы). Теперь проведем аналогичное измерение для активной системы с FIR фильтрацией.

Рис. 6 Меандр на выходе CL3212 с раздельными усилителями НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации.

Мы видим, что исчезли все временныенестыковки на фронтах сигнала, плоская часть импульса стала совершенно ровной. Переходные характеристики системы ощутимо улучшились. Это благоприятно скажется на четкости и прозрачности воспроизведения звука акустической системой. Система также станет более предсказуемой при попытках ее дополнительной эквализации в конкретных акустических условиях. Многочисленные прослушивания подтвердили эти результаты.

Так как операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель с очень большим коэффициентом усиления, то вероятность его самовозбуждения при введении отрицательной обратной связи весьма велика. Поэтому для обеспечения устойчивости ОУ необходимо принимать специальные меры. Устойчивость ОУ оценивают с помощью логарифмических амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.

При построении АЧХ обычно используют логарифмический асштаб по обеим осям координат, т. е. коэффициент усиления Ыражается в децибелах. Используя формулы (4.42), (4.46) и полагая, что 2, легко построить АЧХ и ФЧХ для одного каскада. Для удобства анализа характеристики аппроксимируют в виде прямых (рис. 6.15).

АЧХ представляет собой горизонтальную линию на уровне . На частоте среза излом и при АЧХ представляет собой прямую с наклоном 20 дБ при изменении частоты в 10 раз, т. е. 20 дБ на декаду. Таким образом, скорость спада АЧХ, построенная для одного каскада при , равна .

Если оценивать скорость спада АЧХ с помощью октавы (из-менения частоты в два раза), то можно считать, что скорость спада АЧХ однокаскадного усилителя составляет (рис. 6.15, а).

Частота среза, соответствующая излому аппроксимированной АЧХ, приблизительно равна граничной частоте усиления в реальной АЧХ. Максимальная погрешность их равенства при аппроксимации АЧХ составляет 3 дБ.

Построенную с помощью выражения (4.46) ФЧХ (рис. ) также можно аппроксимировать в виде прямой, проведенной от точки до точки , в которой 90°. На частотах ФЧХ представляется горизонтальной прямой на уровне . При такой идеализации отклонение от реальной ФЧХ составляет не больше 5,7°.

Амплитудно-частотная характеристика многокаскадного усилителя строится путем суммирования АЧХ отдельных его каскадов и имеет несколько изломов, число которых соответствует количеству каскадов.

На рис. 6.16, а приведена АЧХ трехкаскадного усилителя, построенная путем суммирования АЧХ каскадов с частотами среза и коэффициентами усиления в области низких частот .

Фазочастотная характеристика многокаскадного усилителя (рис. 6.16, б) строится путем суммирования фазовых характеристик отдельных каскадов с построенной выше АЧХ.

Из рис. 6.16, а видно, что в диапазоне частот от до скорость спада АЧХ составляет , от до , а на участке от до сот - 60 дБ ( - частота единичного усиления).

Таким образом, каждый каскад увеличивает скорость спада АЧХ на .

Фазовый сдвиг на частоте составляет -45°, на частоте - 135° и на частоте - 225° (рис. 6.16, б).

При введении отрицательной обратной связи угол сдвига между выходным и входным напряжениями усилителя должен составлять 180°, если четырехполюсник обратной связи не имеет реактивных элементов, т. е. [см. формулу (2.34)].

При положительной обратной связи с учетом имеем .

Таким образом, чтобы за счет реактивных элементов усилителя отрицательная обратная связь стала положительной, дополнительный фазовый сдвиг должен составлять 180°.

Для обеспечения запаса устойчивости усилителя по фазе принимаем, что сдвиг нйне должен превышать 135°. Тогда можно считать, что область устойчивости работы многокаскадного усилителя, в частности ОУ, при введении отрицательной обратной связи определяется участком АЧХ со спадом , так как на частоте фазовый сдвиг составляет 135°.

При глубокой отрицательной обратной связи .

На рис. 6.16, а , выраженный в децибелах, может быть представлен прямыми 2 и 3, отражающими различную глубину обратной связи. В точках пересечения этих прямых с АЧХ усилителя без обратной связи А и Б имеем , т. е. именно в этих точках выполняется другое условие самовозбуждения усилителя

Таким образом, на частотах усилитель не самовозбуждается, так как, несмотря на выполнение условия (6.22), обеспечивается достаточный запас устойчивости по фазе. На частотах усилитель работает неустойчиво, так как могут выполняться оба условия самовозбуждения усилителя (6.22) и (2.34).

Для повышения устойчивости ОУ при введении глубокой отрицательной обратной связи проводится частотная коррекция АЧХ с помощью пассивных -цепей, включаемых в схему операционного усилителя. Корректирующие цепи изменяют АЧХ таким образом, что ее спад на всех частотах составляет (рис. 6.16, а). Наиболее просто осуществить коррекцию АЧХ, включив в схему ОУ конденсатор достаточно большой емкости так, чтобы постоянная времени корректирующей цепи превышала . Тогда АЧХ усилителя сдвинется влево, и точка, соответствующая ее частоте среза , будет определяться уже величиной емкости , а спад АЧХ составляет в диапазоне частот . Если частота больше частоты единичного усиления сот кор скорректированной АЧХ, то усилитель будет устойчив при любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих частот от 0 до . Недостаток такого способа коррекции состоит в том, что, обеспечив устойчивость усилителя, мы ограничим его полосу пропускания.

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются ОУ общего применения, при разработке принципиальных схем которых учтено использование корректирующего конденсатора . ОУ, называемые усилителями с внутренней коррекцией, не требуют дополнительных корректирующих элементов и устойчивы любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих Однако узкая полоса пропускания ограничивает применение с внутренней коррекцией.

Если необходимо усиливать сигналы высокой частоты, то используют ОУ с внешней коррекцией, когда усилитель имеет дополнительные внешние выводы для подключения корректирующих цепей.

Эти выводы позволяют выбрать оптимальную коррекцию АЧХ усилителя путем подключения к выводам коррекции навесных конденсаторов или -цепей. В спецификациях изготовителей ОУ обычно приводятся инструкции по применению цепей внешней коррекции.

3.2. Высокочастотная и низкочастотная коррекции АЧХ резисторного усилителя

Для корректирования АЧХ реального усилителя с целью её приближения к АЧХ идеального усилителя (см рис.3.1) применяют специальные схемы коррекции в области НЧ и ВЧ.

Схема ВЧ - коррекции АЧХ при помощи корректирующей индуктивности Lк приведена на рис. 3.8.

Принцип работы этой схемы основан на увеличении в области ВЧ сопротивления коллекторной цепи (Rк + jwLк). Увеличение этого сопротивления с ростом w позволяет повысить усиление каскада на ВЧ. Необходимым условием эффективности работы этой схемы является высокоомность внешнего сопротивления нагрузки Rн >Rк. В противном случае малое сопротивление Rн будет шунтировать коллекторную цепь, при этом усиление каскада будет определяться величиной Rн и мало зависеть от Rк и Lк. Эквивалентная схема касакада с ВЧ- корркцией при 1/Yi > Rн > Rк представлена на рис.3.9, откуда следует, что на ВЧ АЧХ корректированного усилителя близка к частотной характеристике параллельного колебательного контура.

Следовательно, при неоптимальном выборе параметров корректирующей индуктивности Lк на АЧХ усилителя может появиться подъем, вызывающий искажения усиливаемых сигналов. АЧХ и ПХ усилителя с ВЧ-коррекцией при оптимальных и неоптимальных параметрах корректирующей индуктивности Lк показаны на рис.3.10.

1. Lк < Lопт 2.Lк = Lопт 3.Lк > Lопт

Видно, что ВЧ-коррекция оказывает влияние только на область ВЧ (область малых времен - фронты импульсов). При Lк > Lопт длительность фронта самая малая, однако, на выходном импульсном сигнале возникает выброс.

Схема НЧ-коррекции АЧХ усилителя показана на рис.3.11, где Rф и Сф - элементы НЧ-коррекции, выполняющие попутно и роль НЧ-фильтра в цепи питания транзистора VT1.

Принцип работы схемы НЧ-коррекции основан на увеличении сопротивления коллекторной цепи в области НЧ, поэтому, как и в схеме индуктивной ВЧ-коррекции, данная схема эфективна только при высокоомной нагрузке Rн > Rк. Емкость конденсатора Ср выбирается таким образом, чтобы на средних и высоких частотах выполнялось 1/wСф << Rф (то есть Сф шунтирует Rф), поэтому цепь Сф, Rф практически не оказывает влияния на работу усилителя на СЧ и ВЧ. На НЧ сопротивление Сф становится больше сопротивления Rф, это увеличивает сопротивление коллекторной цепи и как результат - понижает нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя. При этом отношение Rф/Rк определяет максимально возможный подъем усиления с понижением частоты w, который однако, реально всегда бывает меньше по причине снижения усиления на НЧ из-за разделительного конденсатора Ср.

АЧХ и ПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах НЧ-коррекции (1 - без коррекции, 2 - оптимальная коррекция, 3 - перекоррекция) приведены на рис.3.12.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

В состав лабораторной устоновки входят:

1) лабораторный макет;

2) лабораторной блок питания;

3) универсальный вольтмер (типа В7-15, В7-16) .

4) генератор низкочастотных сигналов (типа Г3-56, ГЗ-102).

Лабораторный макет содержит:

а) исследуемый резисторный усилитель переменного тока с эмиттерным повторителем на выходе для обеспечения высокоомности нагрузки усилителя (см. рис. 4.1.).

б) встроенный генератор импульсных сигналов (с возможностью регулировки амплитуды и длительности импульсов), расположенный на верхней части корпуса лабораторного макета.

Питание лабораторного макета осуществляется от источника постоянного напряжения En = +12В. Внешний вид лицевой панели с нанесенной на нее принципиальной схемой лабораторного макета представлен на рис.4.2.

5. ПОРЯДОК РАБОТЫ

5.1. Исследование влияния разделительного конденсатора на характеристики усилителя.

а) Собрать установку по схеме рис. 5.1. Все переключатели поставить в исходное 1 положение.

Величину Uвых установить в пределах 10...30 мВ для обеспечения линейного режима работы усилителя. Исследуя зависимость Uвых от частоты f входного сигнала (при неизменной величине Uвх) получить и построить АЧХ усилителя при 2-х значениях емкости Ср (переключатель S4). При исследовании АЧХ рекомндуется предварительно оценить частотную область равномерного усиления, где число отсчетов может быть сокращено до 3...4. В частотных областях изменения АЧХ (НЧ и ВЧ) число осчетных точек должно быть увеличено до 4...5.

б) Подключить на вход исследуемого усилителя импульсный сигнал с генератора прямоугольных импульсов (см. раздел 4). Выходное напряжение усилителя контролировать при помощи осциллографа. Зарисовать с экрана осциллографа на одном графике форму импульсов на выходе усилителя (ПХ усилителя) для двух значений Ср.

Измерить величину спада плоской части вершины импульса (в %) для двух значений Ср.

Сделать выводы о вляинии разделительного конденсатора Ср на характеристики усилителя.

5.2. Исследование влияния коллекторного сопротивления на характеристики усилителя.

Используя схему и методики п.5.1. измерить номинальный коэффициент усиления Ко, снять АЧХ и ПХ усилителя для 2-х значений Rк. Построить АЧХ и ПХ усилителя для двух значений Rк.

Сделать выводы о влиянии коллекторного сопротивления на характеристики усилителя.

5.3. Исследование влияния НЧ-коррекции.

Переключатель S4 поставить в положение, соответствующее меньшему значению Ср. Исследовать АЧХ и ПХ усилителя для 3-х значений праметров НЧ-коррекции. Построить АЧХ и ПХ усилителя для различных параметров НЧ-коррекции.

Сделать выводы о влиянии Rф, Сф на характеристики усилителя.

5.4. Исследование влияния ВЧ-коррекции

Переключатель S1 поставить в положение Rк max, а переключатель S5 в положение 1.

Исследовать АЧХ и ПХ усилителя для 3-х значений корректирующей индуктивности Lк. Построить АЧХ и ПХ усилителя для различных параметров индуктивной ВЧ-коррекции.

Сделать выводы о влиянии Lк на характеристики усилителя.

5.5. Оформление отчета о лабораторной работе.

Отчет должен содержать:

а) схему резисторного усилителя переменного тока с НЧ и ВЧ коррекцией;

б) результаты измерений, таблицы и графики, требуемые лабораторными заданиями;

в) заключение о соответствии полученных результатов теоретическим данным.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Элементы температурной стабилизации рабочей точки транзистора и их выбор.

2. Работа резисторного касакада в области НЧ.

3. Работа резисторного касакада в области ВЧ.

4. Влияние разднлительного конденсатора Ср на характеристики усилителя.

5. Влияние коллекторного сопротивления Rк на верхнюю граничную частоту и номинальный коэффициент усиления.

6. Принцип работы индуктивной ВЧ - коррекции резисторного усилителя.

7. АЧХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов ВЧ - коррекции.

8. ПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов ВЧ - коррекции.

9. Принцип работы НЧ - коррекции резисторного усилителя.

10. АЧХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов НЧ - коррекции.

11. ПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов НЧ - коррекции.

7. Л И Т Е Р А Т У Р А.

1. Остапенко Г. С. Усилительные устройства. - М. : Радио и связь, 1989 , подразделы 1.4, 1.5, 3.2, 4.8.

2. Войшвилло Г. В. Усилительные устройства. - М. : Радио и связь, 1983 , подразделы 4.1.1, 4.7.3, 5.3.1, 5.3.3.

3. Мамонкин И. Г. Усилительные устройства. - М. : Связь, 1977 , подразделы 6.3, 7.3, 11.3.