Intermodulationsverzerrung in Verstärkern von Schallfrequenz und OOS - sorgfältige, gefährliche Kommunikation

Auf audiophilen Websites ist es üblich, Besucher mit Intermodulationsverzerrungen zu erschrecken. Da jedoch die meisten Veröffentlichungen zu diesem Thema die Copy-Paste-Technologie in großem Umfang nutzen, ist es sehr schwierig zu verstehen, warum diese Verzerrungen auftreten und warum sie so beängstigend sind. Heute werde ich versuchen, die Natur dieser furchterregenden IMRs nach besten Kräften und im Umfang des Artikels wiederzugeben.

Das Thema Signalverzerrung in UMZCH wurde in meinem vorherigen Artikel angesprochen, aber beim letzten Mal haben wir lineare und nichtlineare Verzerrungen nur geringfügig angesprochen. Heute werden wir versuchen, das Unangenehmste zu verstehen, das schwer zu analysieren und für Entwickler von ULF-Intermodulationsverzerrungen schwierig ist. Die Gründe für ihr Auftreten und die Beziehung zum Feedback entschuldigen das Wortspiel .

Operationsverstärker als weißes Dreieck

Bevor wir über Rückkopplungen sprechen, werden wir einen kurzen Ausflug in Operationsverstärker von Operationsverstärkern machen , da Transistorverstärkerpfade heutzutage kaum ohne sie auskommen können. Sie können sowohl in Form separater Mikroschaltungen als auch Teil komplexerer Chips - beispielsweise niederfrequenter integrierter Verstärker - ULF vorliegen .

Betrachten Sie den Verstärker in Form einer Black Box oder vielmehr eines weißen Dreiecks, wie sie normalerweise in Schaltkreisen bezeichnet werden , ohne auf Details seines Geräts einzugehen.

Operational Amp Pin Assignment

Nicht invertierender Eingang:

Invertierender Eingang:

Plus Netzteil:

Minus Netzteil:

Wenn Sie die Eingangsspannung am nicht invertierenden Eingang erhöhen, steigt die Spannung am Ausgang an, wenn sie am invertierenden ist, und umgekehrt.

Typischerweise wird die Eingangsspannung, die verstärkt werden muss, zwischen zwei Eingängen zugeführt, und dann kann die Ausgangsspannung wie folgt ausgedrückt werden:

Wo ist die Open-Loop-Verstärkung?

Da es nicht unser Ziel ist, konstante Spannungen, sondern Schallschwingungen zu verstärken, betrachten wir zum Beispiel die Abhängigkeit des kostengünstigen Operationsverstärkers LM324 von der Frequenz der sinusförmigen Eingangsschwingungen.

In diesem Diagramm ist die Verstärkung vertikal und die Frequenz horizontal auf einer logarithmischen Skala aufgetragen. Die Ergebnisse der Ingenieure sind nicht sehr beeindruckend und es ist unwahrscheinlich, dass ein solcher Verstärker in der Realität eingesetzt werden kann. Erstens zeigt es eine gute Linearität nur außerhalb des vom Ohr wahrgenommenen Frequenzbereichs - unter 10 Hz, und zweitens ist seine Verstärkung zu groß - 10.000-mal im Gleichstrom!

Was ist also zu tun? Es muss einen Ausweg geben! Ja, das ist er. Nehmen Sie am Ausgangssignal teil und legen Sie es an den invertierenden Eingang an - geben Sie eine Rückmeldung ein.

Feedback ist einfach und fröhlich! Allheilmittel gegen alle Krankheiten?

In diesem Artikel werden wir nicht auf die Grundlagen der Theorie der Operationsverstärker eingehen. Wenn Sie möchten, finden Sie im Internet viele Informationen zu diesem Thema, beispielsweise in einer Reihe von Artikeln von Igor Petrov KriegeR.

Es ist nicht einfach, Rückkopplungen in die Verstärkerschaltung einzuführen, aber es ist sehr einfach. Lassen Sie uns nicht weit gehen und überlegen, wie dies am Beispiel meines letzten Artikels über die kleinen Tricks der Verfolgung von Schaltkreisen auf Operationsverstärkern geschehen kann .

Die Rückkopplung in dieser Schaltung wird über den Widerstand R2, genauer gesagt den Spannungsteiler von R2 und R1, dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt.



Es ist leicht zu beweisen, dass in dieser Schaltung eine Spannungsverstärkung von zwei vorliegt und diese unverändert bleibt, wenn harmonische Signale in einem sehr weiten Frequenzbereich verstärkt werden. Mit zunehmender Signalfrequenz nimmt die Verstärkung des Operationsverstärkers ohne Betriebssystem ab , bleibt jedoch um ein Vielfaches höher als zwei, und dieser Abfall wird durch eine automatische Abnahme des Rückkopplungssignalpegels kompensiert. Infolgedessen bleibt die Verstärkung der gesamten Schaltung unverändert. Das ist aber noch nicht alles. Diese Schaltung hat eine sehr hohe Eingangsimpedanz, was bedeutet, dass sie die Signalquelle praktisch nicht beeinflusst. Es hat auch eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz, was bedeutet, dass es theoretisch die Wellenform beibehalten sollte, selbst wenn es bei einer Last mit ausreichend niedriger Impedanz und mit komplexem Widerstand, induktiv und kapazitiv betrieben wird.

Ist es wirklich so einfach, den PERFECT AMPLIFIER zu bekommen?

Leider nein, wie jede Münze einen Adler und Schwänze hat, so auch das Feedback ihrer dunklen Seite.

Was für den Russen gut ist, ist für den Deutschen - Tod oder ein wenig Funkgerät

In der Funktechnik ist der Effekt der Wechselwirkung von Signalen mit zwei verschiedenen Frequenzen, die auf ein nichtlineares Element angewendet werden, das als Intermodulation bezeichnet wird, bekannt . Das Ergebnis ist ein komplexes Signal mit Kombinationen von Frequenzen (Harmonischen) in Abhängigkeit von der Frequenz der ursprünglichen Signale f1 und f2 gemäß der folgenden Formel:

Die erhaltenen Frequenzen haben eine kleinere Amplitude als die übergeordneten Harmonischen und in der Regel nimmt ihr Pegel mit zunehmenden ganzzahligen Koeffizienten m und n schnell ab.

Die größte Amplitude hat Harmonische, sogenannte Harmonische zweiter Ordnung mit Frequenzen:

und Oberwellenfrequenzen dritter Ordnung :

In der Funktechnik wird dieser Effekt häufig für die Frequenzumwandlung verwendet. Dank ihm funktionieren moderne Empfänger. Die Frequenzumwandlung erfolgt in Mischern, die auf der Basis nichtlinearer Elemente aufgebaut sind, die häufig als pn-Übergang einer Diode oder eines Transistors verwendet werden. Am Mischer werden das empfangene Nutzsignal und das Signal vom Generator - dem lokalen Oszillator - gleichzeitig empfangen.


Am Ausgang erhalten wir eine Vielzahl von Signalen:


Dank des Schmalbandfilters der PLL wählen wir das benötigte Signal mit einer Zwischenfrequenz f _pr = f _g -f _{s aus} und verstärken es im ZF-Verstärker. Dann erfolgt eine Erkennung unter Verwendung des folgenden nichtlinearen Elements, normalerweise einer Diode, und am Ausgang, nachdem das Tiefpassfilter in der Figur nicht gezeigt ist, erhalten wir ein Audiosignal.

IMD ( Intermodulation Distortion)

, , , . , , , , . , , intermodulation distortion IMD, .

Diese Art der Verzerrung ist für das Ohr viel unangenehmer als die banale Amplitudenbegrenzung des Signals, die Quelle ihres Auftretens ist in jedem Einzelfall viel schwieriger zu erkennen und vor allem zu beseitigen.

Sie haben mit diesem Effekt zu kämpfen, wenn sie fortschrittlichere Transistoren verwenden, die im linearen Modus arbeiten, und lokale Verstärker innerhalb derselben Verstärkungskaskade oder einer tiefen allgemeinen Rückkopplung verwenden - Alleskönner! In Maßen ist jedoch alles in Ordnung - wenn die Frequenzen der parasitären Harmonischen des Signals im Bereich des schnellen Abfalls des Frequenzgangs des Verstärkers liegen, hat die Rückkopplung möglicherweise keine Zeit, um die Signalverzerrung zu kompensieren, und dient sogar als Quelle zusätzlicher Verzerrung.

Es ist Zeit für uns, endlich die dunkle Seite des Feedbacks zu erforschen

Feedback zur dunklen Seite

Um dies zu erkennen, werden wir den Verstärker gemäß dem obigen Diagramm am Operationsverstärker LM324 zusammenbauen, jedoch mit geringfügig unterschiedlichen Nennwerten der Rückkopplungswiderstände, um eine Verstärkung von eins zu erhalten.

Lassen Sie uns nun einen Rechteckimpuls mit einer kleinen Amplitude von etwa 100 Millivolt in seinen Eingang einspeisen.


Was wir am Ausgang haben, sieht überhaupt nicht wie ein Eingangssignal aus. Was ist passiert und warum hat uns das Feedback nicht geholfen? Wie immer ist die Physik schuld, ihre Welt ist viel komplizierter als unsere mathematischen Modelle, die auf groben Näherungen basieren. Tatsache ist, dass unser Verstärker ein sehr komplexes Gerät ist.



Es enthält viele Streukapazitäten, die sich sowohl innerhalb der integrierten Transistoren, ihrer Komponenten als auch in Zwischenstufenverbindungen befinden. Die Art der parasitären Kapazitäten ist zum Beispiel aufgrund der Zeit der Absorption von Minoritätsladungsträgern in einem Halbleiter sehr unterschiedlich. Die Transistoren selbst, auf denen unser Operationsverstärker aufgebaut ist, verstärken Geräte mit großer Nichtlinearität. Darüber hinaus haben die Leiterplattenelemente auch ihre Kapazität, insbesondere wenn die in der Ablaufverfolgung enthaltenen Empfehlungen nicht berücksichtigt wurdenin meinem vorherigen Artikel .

Im Moment des Eintreffens der negativen Flanke des Signals erkennt die Rückkopplung, dass die Spannung am Eingang nicht mit dem Ausgang übereinstimmt. Es erhöht das Potential des invertierenden Eingangs gegenüber dem nicht invertierenden stark, um den Spannungssprung am Eingang des Verstärkers so schnell wie möglich zu übertragen, hat jedoch keine Zeit dafür, da es zuerst die parasitären Kapazitäten des gesamten Verstärkungspfades aufladen muss und wir eine Blockierung der Signalfront am Ausgang erhalten. Wenn sich das Eingangssignal auch nicht mehr abrupt ändert, wird die Rückkopplung gezwungen, diese Kapazitäten zu entladen. Als Ergebnis erhalten wir einen Ausgang am Ausgang, der sich später in einen gedämpften Schwingungsprozess verwandelt. In besonders traurigen Fällen kann sich dieser Schwingungsprozess ziemlich lange hinziehen - der Verstärker wird in einen Zustand der Selbsterregung versetzt.Infolgedessen erscheinen neue Signale, die am Eingang nicht vorhanden sind - nichtlineare Verzerrungen - im Signal am Verstärkerausgang.

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Die Nichtlinearität, die Transistorkaskaden innewohnt, zwingt Entwickler dazu, eine starke negative Rückkopplung als einfachste Lösung zu verwenden, um die Verstärkerparameter anzupassen und die Anforderungen für ein geringes Maß an harmonischer Verzerrung und Intermodulationsverzerrung zu erfüllen, die natürlich mit Standardmethoden gemessen werden . Daher sind industrielle Leistungsverstärker mit einer OOS-Tiefe von 60 und sogar 100 dB heutzutage keine Seltenheit.
Wir werden die reale Schaltung eines einfachen Transistor-Leistungsverstärkers darstellen. Wir können sagen, dass es dreistufig ist. Die erste Verstärkungskaskade am Operationsverstärker A1, die zweite an den Transistoren T1-T2 und die dritte ebenfalls am Transistor T3-T4. In diesem Fall wird der Verstärker von der allgemeinen Rückkopplungsschaltung abgedeckt, er ist rot hervorgehoben, der über den Widerstand R6 dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt wird. Das Schlüsselwort hier ist gebräuchlich - die Rückkopplung hier wird nicht vom Ausgang des Operationsverstärkers zu seinem Eingang, sondern vom Ausgang des gesamten Verstärkers gespeist.



Infolgedessen sollte der Operationsverstärker aufgrund seiner enormen Verstärkung bei der Bewältigung verschiedener Arten von Nichtlinearitäten und Interferenzen von Transistorverstärkerstufen helfen. Wir listen unten die wichtigsten auf:

• Transistoren in einem solchen Einschluss können in einem sehr nichtlinearen Modus arbeiten, wenn das Signal durch Null geht und für schwache Signale;
• Am Ausgang wird der Verstärker auf eine komplexe Last geladen - das Lautsprechersystem. Die Schaltung zeigt ihren Ersatzwiderstand R15 und die Induktivität L1;
• Transistoren arbeiten in einem schwierigen thermischen Modus und die Temperatur ihres Gehäuses hängt wesentlich von der Ausgangsleistung ab, und ihre Parameter hängen stark von der Temperatur ab;
• Installationskapazitäten und verschiedene Arten von Interferenzen können einen anständigen Wert haben, und Nachführfehler können leicht zu positiver Rückkopplung und Selbsterregung des Verstärkers führen.
• Erhöht die Rolle der durch Strom induzierten Interferenz erheblich;

Und Shelter hilft, aber als Dummkopf betet sie von einem bekannten Aphorismus zu Gott und ist manchmal zu eifrig. Es gibt Probleme mit der Überlastfähigkeit einzelner Stufen, deren Transistoren in den Signalbegrenzungsmodus fallen. Sie gehen vom linearen, natürlich relativ linearen Modus zum Cutoff- oder Sättigungsmodus über. Sie treten sehr schnell aus und kehren aufgrund des gemächlichen Resorptionsprozesses kleinerer Ladungsquellen in Halbleiterübergängen viel langsamer zurück. Lassen Sie uns diesen Prozess und seine Folgen genauer betrachten.

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Die Überlastkapazität eines Verstärkers ist ein Parameter, der beschreibt, wie viele Dezibel die Nennausgangsspannung oder -leistung vom Maximum abweicht, wenn die Einschränkungen der Ausgangsleistung beginnen. Clipping

Transistorverstärker haben eine geringe Überlastkapazität, insbesondere für Klemmen- und Vorklemmenstufen. Die Nennleistung vom Maximum unterscheidet sich oft nur um 40 Prozent, dies sind weniger als 3 dB.

Stellen Sie sich vor, unser Verstärker besteht aus einem idealen Korrektor-Vorverstärker und UMZCH, die durch Rückkopplung mit einem Koeffizienten B abgedeckt sind. Es ist wichtig zu beachten, dass das Signal V₁sehr hochfrequente Komponenten enthalten kann. Der Vorverstärker C wirkt als Tiefpassfilter und erzeugt ein Eingangssignal V₂für Verstärker A, der nur Komponenten enthält, die in das Audiofrequenzband fallen.



Die Spannung am Eingang des Leistungsverstärkers V ₂ hat eine vom Vorverstärker bestimmte Anstiegszeit, die Grafik zeigt, dass sie geglättet ist. Trotzdem enthält eine am Ausgang des Addierers wirkende Spannung V ₃ einen Ausreißer, der durch den Wunsch nach Rückkopplung verursacht wird, um die niedrige Geschwindigkeit des Leistungsverstärkers A mit der Amplitude V _max zu kompensieren


Der Anstieg des V ₃ -Signals kann hunderte oder sogar tausende Male höher sein als der Nennpegel des Eingangssignals in der Amplitude. Sie kann den Dynamikbereich des Verstärkers erheblich überschreiten. Während einer solchen Überlastung nimmt die Verstärkung anderer am Eingang vorhandener Signale ab, was einen sofortigen Burst der Intermodulationsverzerrung verursacht. Dieser Burst wird als dynamische TID-Intermodulationsverzerrung bezeichnet , da er zum Einfluss eines Signals auf die Amplitude einer anderen Intermodulation führt und mehr von der Zeit- und Amplitudencharakteristik des Eingangssignals als nur von der Amplitudencharakteristik abhängt, wie im Fall einfacher Intermodulationsverzerrungen.



In der gezeigten Schaltung hat der Operationsverstärker die höchste Spannungsverstärkung, hat jedoch eine gute Überlastfähigkeit - er behält kleine nichtlineare Verzerrungen bei, wenn der Ausgangsspannungsbereich nahe an der Versorgungsspannung liegt. Die Situation mit der Kaskade an den Transistoren T1 und T2 ist viel schlimmer - dies sind Stromverstärker, die recht einfach aus dem normalen Betrieb zu bringen sind und deren Wiederherstellung relativ lange dauern kann. Rückkopplungsspannungsspitzen, die durch Operationsverstärker verstärkt und dem Eingang dieser Transistoren zugeführt werden, können sehr große Werte haben. Sie führen zu einer Überlastung der zweiten Verstärkungsstufe. T1 und T2 können in den Sättigungsmodus wechseln, ihre Verstärkungseigenschaften verlieren und einige Zeit darin bleiben, selbst nachdem die scharfe Flanke des Eingangssignals verschwunden ist.bis sich die Ladung auf allen Arten von Streubehältern auflöst. Störkapazitäten und mögliche Elemente der Frequenzgangkorrektur werden hier mit Hilfe der Elemente R und C gezeigt.


Die obige Grafik zeigt einen äußerst unangenehmen Effekt, der als "Clipping" des Verstärkers bezeichnet wird und auf Rückkopplungen zurückzuführen ist. Am Ausgang A1 wird die Amplitude begrenzt und am Ausgang des Verstärkers ein verzerrtes Signal.

Methoden zur Messung der Intermodulationsverzerrung und Methoden zu deren Behandlung

Gemäß der Standardmethode zur Messung der Intermodulationsverzerrung werden zwei Signale gleichzeitig in das Messobjekt eingegeben: niedrige f _{1 -} und hohe f ₂ -Frequenzen. Leider verwenden verschiedene Länder unterschiedliche Messfrequenzen. Unterschiedliche Normen bieten unterschiedliche Frequenzen - 100 und 5000 Hz, 50 und 1000 Hz ...

Am häufigsten werden Frequenzen von 400 und 4000 Hz verwendet, die in den Normen DIN 45403, GOST 16122-88 und IEC 60268-5 zugelassen sind. Die Amplitude eines Signals mit einer Frequenz von f ₁ ist 12 dB 4-mal größer als die Amplitude eines Signals mit einer Frequenz von f ₂ . Abhängig von der Nichtlinearität der Kennlinie ist sie im Betriebspunkt symmetrisch zur Frequenz f ₂ ­ f₂ ± f₁, f₂ ± 2f₁ . ­ f₂ ± f₁ , ­ f₂ ± 2f₁ — ­.

19 20 c , , , , 1, .

Zur Lieferung von Messsignalen werden nicht nur Generatoren verwendet, sondern auch speziell im Studio aufgenommene CDs und sogar Schallplatten.


Vor etwa 30 Jahren wurden zur Messung des Intermodulationsverzerrungskoeffizienten komplexe und teure Instrumente benötigt, die nur in Labors und Studios erhältlich waren, beispielsweise die Zusammensetzung des Messständers für einen Tonabnehmerverstärker:

1. Plattenspieler;
2. Messplatte;
3. Abholung;
4. Korrekturverstärker;
5. Bandpassfilter;
6. Zeilendetektor;
7. Tiefpassfilter.
8. Und natürlich ist V ein Voltmeter, das den effektiven Wert sinusförmiger Schwingungen messen kann!

Selbst eine einfache 16-Bit-Computermusikkarte mit einem Preis von bis zu 30 US-Dollar, einem speziellen Messprogramm und einfachen Anpassungsschaltungen kann heute eine viel bessere Messqualität bieten.

Die beschriebenen Standards sind für Hersteller von Tonwiedergabegeräten ohne Schwierigkeiten sehr praktisch. Sie können schöne kleine Zahlen in den Passdaten erhalten , spiegeln jedoch die tatsächliche Qualität des Verstärkerpfads nicht allzu gut wider. Das Ergebnis ist natürlich die Entwicklung der Subjektivität - wenn zwei Verstärker oder sogar teure Audiokarten mit formal praktisch identischen Parametern auf einem komplexen Musiksignal auf völlig unterschiedliche Weise „klingen“, können Sie vor dem Kauf nicht auf das Hören verzichten.

Amateure hochwertiger Klangbegeisterter und einzelne Hersteller hochwertiger Geräte versuchen, ihre Messmethoden auf der Grundlage von Annäherungen zu fördern, die weniger von der Realität getrennt sind. Es gibt Mehrfrequenztechniken, Techniken, die die Wechselwirkung von harmonischer Frequenz und einem einzelnen Impuls untersuchen, basierend auf Rauschsignalen und anderen. Diesmal haben wir jedoch keine Zeit, sie im Detail zu besprechen.

Wir werden auch sehr kurz auf Methoden zur Bekämpfung von Intermodulationsverzerrungen eingehen:

• Anpassung der Schaltung, um gute Ergebnisse für Standardmesstechniken zu erhalten;
• Frequenzabhängige Rückkopplungs- und Frequenzkorrekturketten der Ketten R5, C3 und R14, C8 im Bild in diesem Artikel ;
• Verwendung lokaler Rückkopplungsketten, die eine oder zwei Verstärkungsstufen abdecken;
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