En los sitios de audiófilos, es habitual asustar a los visitantes con distorsiones de intermodulación, sin embargo, dado que la mayoría de las publicaciones sobre este tema hacen un uso extensivo de la tecnología de copiar y pegar, es muy difícil entender por qué surgen estas distorsiones y por qué son tan aterradoras. Hoy trataré de reflejar la naturaleza de estos temibles IMR lo mejor que pueda y el volumen del artículo.El tema de la distorsión de la señal en UMZCH se planteó en mi artículo anterior , pero la última vez solo tocamos ligeramente las distorsiones lineales y no lineales. Hoy trataremos de comprender lo más desagradable de oído, difícil de analizar y difícil para los diseñadores de distorsión de intermodulación ULF. Las razones de su aparición y la relación con los comentarios lamentan el juego de palabras .Amplificador operacional como un triangulo blanco
Antes de hablar sobre la retroalimentación, haremos una breve excursión a los amplificadores operacionales del amplificador operacional , ya que hoy en día las rutas de amplificadores de transistores difícilmente pueden prescindir de ellos. Pueden estar presentes en forma de microcircuitos separados, o ser parte de chips más complejos, por ejemplo, amplificadores integrados de baja frecuencia, ULF .Considere el amplificador en forma de caja negra o más bien un triángulo blanco, ya que generalmente se denotan en circuitos , sin entrar en detalles de su dispositivo.Asignación de pin de amplificador operacional
Entrada no inversora: 
Entrada inversora:
Más fuente de alimentación: 
Menos fuente de alimentación: 
Si aumenta el voltaje de entrada en la entrada no inversora, entonces el voltaje en la salida aumentará, si en la inversión, y viceversa, disminuirá.Típicamente, el voltaje de entrada que necesita ser amplificado se suministra entre dos entradas y luego el voltaje de salida se puede expresar de la siguiente manera:¿Dónde 
está la ganancia de bucle abierto?
Dado que nuestro objetivo no es amplificar voltajes constantes, sino vibraciones de sonido, consideremos, por ejemplo, la dependencia del amplificador operacional LM324 económico en la frecuencia de las oscilaciones sinusoidales de entrada.
En este gráfico, la ganancia se traza verticalmente y la frecuencia horizontalmente en una escala logarítmica. Los resultados de los ingenieros no son muy impresionantes y es poco probable que sea posible utilizar dicho amplificador en realidad. En primer lugar, muestra una buena linealidad solo fuera del rango de frecuencia percibido por el oído, por debajo de 10 Hz, y en segundo lugar, su ganancia es demasiado grande: ¡10.000 veces en corriente continua!Entonces, ¿qué hacer, debe haber una salida? Sí lo es. Tome parte de la señal de salida y aplíquela a la entrada de inversión: ingrese la retroalimentación.¡La retroalimentación es simple y alegre! Panacea para todos los males?
En este artículo no tocaremos los conceptos básicos de la teoría de los amplificadores operacionales, si lo desea, puede encontrar mucha información sobre este tema en Internet, por ejemplo, en una serie de artículos de Igor Petrov KriegeR.
No es fácil introducir comentarios en el circuito del amplificador. No vayamos lejos y consideremos cómo se puede hacer esto usando el ejemplo de mi último artículo sobre los pequeños trucos de los circuitos de rastreo en amplificadores operacionales .La retroalimentación en este circuito se alimenta a la entrada inversora del amplificador operacional a través de la resistencia R2, más precisamente, el divisor de voltaje de R2 y R1.
Es fácil demostrar que en este circuito tendrá una ganancia de voltaje igual a dos, y no cambiará al amplificar señales armónicas en un rango de frecuencia muy amplio. Al aumentar la frecuencia de la señal, la ganancia del amplificador operacional sin un sistema operativo disminuye, pero permanece muchas veces más de dos, y esta caída se compensa con una disminución automática en el nivel de la señal de retroalimentación. Como resultado, la ganancia del circuito en su conjunto permanece sin cambios. Pero eso no es todo. Este circuito tiene una impedancia de entrada muy alta, lo que significa que prácticamente no afecta la fuente de señal. También tiene una impedancia de salida muy baja, lo que significa que, en teoría, debería retener la forma de onda incluso cuando funciona con una carga de impedancia suficientemente baja y con resistencia compleja, inductiva y capacitiva.¿Es realmente así de simple obtener el AMPLIFICADOR PERFECTO?Desafortunadamente, no, como cualquier moneda tiene un águila y colas, también lo hace la retroalimentación de su lado oscuro.Lo que es bueno para el ruso es para el alemán: la muerte o un pequeño equipo de radio
En ingeniería de radio, el efecto de la interacción de señales de dos frecuencias diferentes aplicadas a un elemento no lineal llamado intermodulación es bien conocido . El resultado es una señal compleja con combinaciones de frecuencias (armónicos) dependiendo de la frecuencia de las señales originales f1 y f2 de acuerdo con la siguiente fórmula:Las frecuencias obtenidas son más pequeñas en amplitud que los armónicos principales y, por regla general, su nivel disminuye rápidamente al aumentar los coeficientes enteros myn.La mayor amplitud tendrá armónicos, llamados armónicos de segundo orden con frecuencias:y frecuencias de armónicos de tercer orden :En ingeniería de radio, este efecto se usa ampliamente para la conversión de frecuencia. Gracias a él, los receptores modernos funcionan. La conversión de frecuencia ocurre en mezcladores construidos sobre la base de elementos no lineales, que a menudo se usan como una unión pn de un diodo, pozo o transistor. En el mezclador, la señal útil recibida y la señal del generador, el oscilador local, se reciben simultáneamente.En la salida, obtenemos una amplia gama de señales:Pero gracias al filtro de banda estrecha del PLL, seleccionamos la señal que necesitamos con una frecuencia intermedia f pr = f g -f s y la amplificamos en el amplificador IF. Luego hay una detección usando el siguiente elemento no lineal, generalmente un diodo y en la salida después del filtro de paso bajo, la figura no se muestra, obtenemos una señal de frecuencia de sonido.IMD ( distorsión de intermodulación)
Sin embargo, si el efecto de la intermodulación es vital para los receptores, en los amplificadores de baja frecuencia provoca la aparición de distorsiones no lineales, que se denominan intermodulación. Después de todo, una señal de audio contiene simultáneamente armónicos de una gran cantidad de frecuencias que difieren mucho en amplitud, y los transistores que componen el amplificador, como los diodos, son elementos no lineales. Distorsiones que se producen debido al mecanismo descrito anteriormente, en el nombre de las fuentes de habla Inglés distorsión de intermodulación abreviada del IMD , la forma en la abreviatura rusa para ellos IMI .Este tipo de distorsión es mucho más desagradable para el oído que la limitación de amplitud banal de la señal, la fuente de su aparición en cada caso particular es mucho más difícil de detectar y, lo más importante, de eliminar.Están luchando con este efecto usando transistores más avanzados que operan en modo lineal y usando amplificadores locales dentro de la misma cascada de amplificación o retroalimentación general profunda: ¡toma de todos los intercambios! Sin embargo, todo es bueno con moderación: si las frecuencias de los armónicos parásitos de la señal se encuentran en la región de decadencia rápida de la respuesta de frecuencia del amplificador, entonces la retroalimentación puede no tener tiempo para compensar la distorsión de la señal e incluso servir como fuente de distorsión adicional.Es hora de que finalmente investiguemos el lado oscuro de la retroalimentación
Retroalimentación del lado oscuro
Para detectarlo, ensamblaremos el amplificador de acuerdo con el diagrama anterior en el amplificador operacional LM324, pero con clasificaciones ligeramente diferentes de las resistencias de retroalimentación para obtener una ganancia unitaria.Y ahora alimentemos en su entrada un pulso rectangular de pequeña amplitud, unos 100 milivoltios.Lo que obtuvimos en la salida no parece una señal de entrada. ¿Qué pasó y por qué no nos ayudaron los comentarios? Como siempre, la física tiene la culpa, su mundo es mucho más complicado que nuestros modelos matemáticos basados en aproximaciones aproximadas. El hecho es que nuestro amplificador es un dispositivo muy complejo.
Contiene muchas capacitancias parásitas ubicadas tanto dentro de los transistores integrados, sus componentes y en las conexiones entre etapas. La naturaleza de las capacidades parasitarias es muy diferente, por ejemplo, debido al tiempo de absorción de los portadores de carga minoritarios en un semiconductor. Los transistores mismos, sobre los cuales está construido nuestro amplificador operacional, son dispositivos amplificadores con gran no linealidad. Además, los elementos de la placa de circuito también tienen su capacidad, especialmente si no se tuvieron en cuenta las recomendaciones establecidas en la traza.en mi artículo anterior .En el momento de la llegada del borde negativo de la señal, la retroalimentación detecta que el voltaje en la entrada no coincide con la salida. Aumenta considerablemente el potencial de la entrada inversora en relación con la no inversora, de modo que puede transferir el salto de voltaje a la entrada del amplificador lo antes posible, pero no tiene tiempo para hacerlo porque primero necesita cargar las capacitancias parásitas de toda la ruta de amplificación y obtenemos la señal de obstrucción del borde frontal. Además, cuando la señal de entrada también deja de cambiar abruptamente, la retroalimentación se ve obligada a descargar estas capacidades. Como resultado, obtenemos una salida en la salida, que luego se convierte en un proceso oscilatorio amortiguado. En casos particularmente tristes, este proceso oscilatorio puede prolongarse durante un tiempo bastante largo: el amplificador entrará en un estado de autoexcitación.Como resultado, aparecen nuevos armónicos que no están presentes en la entrada (distorsiones no lineales) en la señal en la salida del amplificador..
La no linealidad inherente a las cascadas de transistores obliga a los desarrolladores a utilizar una fuerte retroalimentación negativa como la solución más simple para ajustar los parámetros del amplificador para cumplir con los requisitos de un bajo nivel de distorsión armónica y de intermodulación, por supuesto, medido por métodos estándar . Como resultado, los amplificadores de potencia industriales que tienen una profundidad OOS de 60 e incluso 100 dB no son infrecuentes hoy en día.Representaremos el circuito real de un simple amplificador de potencia de transistor. Podemos decir que es de tres etapas. La primera cascada de amplificación en el amplificador operacional A1, la segunda en los transistores T1-T2 y la tercera también en el transistor T3-T4. En este caso, el amplificador está cubierto por el circuito de retroalimentación general, se resalta en rojo, que se alimenta a través de la resistencia R6 a la entrada no inversora del amplificador operacional. La palabra clave aquí es común : la retroalimentación aquí se alimenta no desde la salida del amplificador operacional hasta su entrada, sino desde la salida de todo el amplificador.
Como resultado, el amplificador operacional debido a su gran ganancia debería ayudar a hacer frente a varios tipos de no linealidades e interferencia de las etapas del amplificador de transistores. A continuación enumeramos los principales:- los transistores en tal inclusión pueden operar en un modo muy no lineal cuando la señal pasa a través de cero y para señales débiles;
- En la salida, el amplificador se carga en una carga compleja: el sistema de altavoces. El circuito muestra su equivalente: resistencia R15 e inductancia L1;
- Los transistores operan en un modo térmico difícil y la temperatura de su caja depende significativamente de la potencia de salida, y sus parámetros dependen en gran medida de la temperatura;
- Las capacidades de instalación y varios tipos de interferencia pueden tener un valor decente y los errores de rastreo pueden conducir fácilmente a una retroalimentación positiva y autoexcitación del amplificador;
- Aumenta significativamente el papel de la interferencia inducida por el poder;
Y Shelter ayuda, pero como una tonta, le reza a Dios desde un aforismo conocido y a veces es demasiado celosa. Hay problemas con la capacidad de sobrecarga de las etapas individuales, cuyos transistores entran en el modo de limitación de señal. Van del lineal, por supuesto, el modo relativamente lineal a los modos de corte o saturación. Salen muy rápido y regresan a él mucho más lentamente, debido al lento proceso de reabsorción de fuentes de carga menores en las uniones de semiconductores. Consideremos con más detalle este proceso y sus consecuencias.TIM. “”
La capacidad de sobrecarga de un amplificador es un parámetro que describe cuántos decibelios el voltaje de salida nominal o la potencia difiere del máximo cuando comienzan las limitaciones de potencia de salida: losamplificadores de transistores de recorte tienen una baja capacidad de sobrecarga, especialmente para las etapas de terminal y pre-terminación. La potencia nominal del máximo a menudo difiere en solo un 40 por ciento, esto es menos de 3 dB.Imagine que nuestro amplificador consta de un preamplificador corrector ideal y UMZCH cubierto por retroalimentación con un coeficiente B. Es importante tener en cuenta que la señal V1puede contener componentes de muy alta frecuencia. El preamplificador C actúa como un filtro de paso bajo, produciendo una señal de entrada V2para el amplificador A, que contiene solo componentes que entran en la banda de frecuencia de audio.
El voltaje en la entrada del amplificador de potencia V 2 tiene un tiempo de subida determinado por el preamplificador, el gráfico muestra que está suavizado. Sin embargo, un voltaje V 3 que actúa en la salida del sumador contiene un valor atípico causado por el deseo de retroalimentación para compensar la baja velocidad del amplificador de potencia A con amplitud V máx.La sobretensión en la señal V 3 puede ser cientos o incluso miles de veces mayor que el nivel nominal de la señal de entrada en amplitud. Puede exceder significativamente el rango dinámico del amplificador. Durante dicha sobrecarga, la ganancia de otras señales presentes en la entrada disminuye, causando una explosión instantánea de distorsión de intermodulación. Esta ráfaga se denomina distorsión de intermodulación dinámica de TID , porque conduce a la influencia de una señal en la amplitud de otra intermodulación , y depende de las características de tiempo y amplitud de la señal de entrada más que solo de la característica de amplitud, como en el caso de distorsiones de intermodulación simples.
En el circuito mostrado, el amplificador operacional tiene la ganancia de voltaje más alta, sin embargo, tiene una buena capacidad de sobrecarga: conserva pequeñas distorsiones no lineales cuando el rango de voltaje de salida está cerca del voltaje de suministro. La situación con la cascada en los transistores T1 y T2 es mucho peor: estos son amplificadores de corriente, que son bastante simples de sacar del funcionamiento normal, y puede llevar un tiempo relativamente largo restaurarlos. Los picos de voltaje de retroalimentación amplificados por amplificadores operacionales y alimentados a la entrada de estos transistores pueden tener valores muy grandes. Conducen a una sobrecarga de la segunda etapa de amplificación. T1 y T2 pueden ingresar al modo de saturación, perder sus propiedades de amplificación y permanecer en él durante algún tiempo incluso después de que desaparezca el borde afilado de la señal de entrada,hasta que la carga se disipe en todo tipo de contenedores perdidos. Las capacidades espurias y los posibles elementos de la corrección de la respuesta de frecuencia se muestran aquí con la ayuda de los elementos R y C.
Métodos para medir la distorsión de intermodulación y métodos para tratarlos.
Según el método estándar para medir la distorsión de intermodulación, se introducen simultáneamente dos señales en el objeto medido: frecuencias bajas de f 1 y altas de f 2 . Desafortunadamente, diferentes países usan diferentes frecuencias de medición. Diferentes estándares proporcionan diferentes frecuencias: 100 y 5000 Hz, 50 y 1000 Hz ...El más común es el uso de frecuencias de 400 y 4000 Hz, aprobadas en los estándares DIN 45403, GOST 16122-88 e IEC 60268-5. La amplitud de una señal con una frecuencia de f 1 es 12 dB 4 veces mayor que la amplitud de una señal con una frecuencia de f 2 . Dependiendo de la no linealidad de la característica, en el punto de operación es simétrica con respecto a la frecuencia f 2diferencia y oscilaciones totales de Raman f 2 ± f 1 , y f 2 ± 2f 1 de órdenes superiores se forman. Las vibraciones combinadas de segundo orden resultantes con frecuencias f 2 ± f 1 caracterizan las vibraciones cuadráticas y de tercer orden con frecuencias f 2 ± 2f 1 : distorsiones cúbicas del objeto de medición.También se usa un par de frecuencias de 19 y 20 KHz con un nivel de señal igual, conveniente principalmente porque el armónico principal que cae en el rango de audio, en este caso, es una señal con una frecuencia de 1 KHz, cuyo nivel es fácil de medir.Para suministrar señales de medición, no solo se utilizan generadores, sino también CD de medición especialmente grabados en el estudio e incluso discos de vinilo.Hace aproximadamente 30 años, para medir el coeficiente de distorsión de intermodulación, se necesitaban instrumentos complejos y costosos, disponibles solo en laboratorios y estudios, por ejemplo, la composición del soporte de medición para un amplificador de recolección:- Placa giratoria;
- Placa de medición;
- Recogida;
- Amplificador de corrección;
- Filtro de paso de banda;
- Detector de línea;
- Filtro de paso bajo.
- Y, por supuesto, ¡V es un voltímetro que puede medir el valor efectivo de las oscilaciones sinusoidales!
Hoy en día, incluso una simple tarjeta de música de computadora de 16 bits con un precio de hasta $ 30, completa con un programa de medición especial y circuitos de coincidencia simples, puede proporcionar una calidad de medición mucho mejor.Los estándares descritos son muy convenientes para los fabricantes de equipos de reproducción de sonido sin ninguna dificultad, puede obtener números pequeños y hermosos en los datos del pasaporte , pero no reflejan muy bien la calidad real de la ruta del amplificador. El resultado, por supuesto, es el desarrollo de la subjetividad: cuando dos amplificadores o incluso costosas tarjetas de audio con parámetros formalmente prácticamente idénticos "suenan" en una señal musical compleja de maneras completamente diferentes, no puede prescindir de escuchar antes de comprar.Los aficionados a los entusiastas del sonido de alta calidad y los fabricantes individuales de equipos de alta clase están tratando de promover sus métodos de medición basados en aproximaciones que están menos divorciadas de la realidad. Existen técnicas de múltiples frecuencias, técnicas que exploran la interacción de la frecuencia armónica y un solo pulso, basadas en señales de ruido y otras. Sin embargo, esta vez no tendremos tiempo para discutirlos en detalle.
También nos detendremos brevemente en los métodos para combatir la distorsión de intermodulación:- Ajuste de los circuitos para obtener buenos resultados para las técnicas de medición estándar;
- Retroalimentación dependiente de la frecuencia y cadenas de corrección de frecuencia de las cadenas R5, C3 y R14, C8 en la imagen de este artículo ;
- El uso de cadenas de retroalimentación locales, que cubren una o dos etapas de amplificación;
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