Em sites audiófilos, é habitual assustar os visitantes com distorções de intermodulação, no entanto, como a maioria das publicações sobre esse assunto faz uso extensivo da tecnologia de copiar e colar, é muito difícil entender por que essas distorções surgem e por que são tão assustadoras. Hoje tentarei refletir a natureza dessas IMRs temíveis da melhor maneira possível e no volume do artigo.O tópico distorção de sinal no UMZCH foi levantado no meu artigo anterior , mas da última vez tocamos apenas ligeiramente nas distorções lineares e não lineares. Hoje vamos tentar entender o mais desagradável de ouvido, difícil de analisar e difícil para os projetistas de distorção de intermodulação ULF. As razões de sua ocorrência e o relacionamento com o feedback pedem desculpas pelo trocadilho .Amplificador operacional como um triângulo branco
Antes de falar sobre o feedback, faremos uma breve excursão aos amplificadores operacionais do amplificador operacional , já que hoje os caminhos do amplificador de transistor dificilmente podem ficar sem eles. Eles podem estar presentes tanto na forma de microcircuitos separados ou como parte de chips mais complexos - por exemplo, amplificadores integrados de baixa frequência - ULF .Considere o amplificador na forma de uma caixa preta ou um triângulo branco, pois geralmente são indicados em circuitos , sem entrar em detalhes de seu dispositivo.Atribuição operacional dos pinos do amplificador
Entrada não inversora: Entrada inversa 
:
Além disso, fonte de alimentação: 
Menos fonte de alimentação: 
Se você aumentar a tensão de entrada na entrada não inversora, a tensão na saída aumentará; se na inversão, vice-versa, ela diminuirá.Normalmente, a tensão de entrada que precisa ser amplificada é fornecida entre duas entradas e, em seguida, a tensão de saída pode ser expressa da seguinte maneira:Onde 
está o ganho de malha aberta
Como nosso objetivo não é amplificar tensões constantes, mas vibrações sonoras, consideremos, por exemplo, a dependência do amplificador operacional LM324 de baixo custo com a frequência das oscilações sinusoidais de entrada.
Neste gráfico, o ganho é plotado verticalmente e a frequência horizontalmente em uma escala logarítmica. Os resultados dos engenheiros não são muito impressionantes e é improvável que seja possível usar esse amplificador na realidade. Primeiro, ele mostra boa linearidade fora da faixa de freqüência percebida pelo ouvido - abaixo de 10 Hz e, segundo, seu ganho é muito grande - 10.000 vezes em corrente contínua!Então, o que fazer, deve haver uma saída! Sim ele é. Participe do sinal de saída e aplique-o na entrada inversora - insira o feedback.O feedback é simples e alegre! Panacéia para todos os males?
Neste artigo, não abordaremos o básico da teoria dos amplificadores operacionais, se desejar, você pode encontrar muitas informações sobre esse tópico na Internet, por exemplo, em uma série de artigos de Igor Petrov KriegeR
Não é fácil introduzir feedback no circuito do amplificador, mas é muito simples. Não vamos longe e considere como isso pode ser feito usando o exemplo do meu último artigo sobre os pequenos truques dos circuitos de rastreamento nos amplificadores operacionais .O feedback neste circuito é alimentado à entrada inversora do amplificador operacional via resistor R2, mais precisamente, o divisor de tensão de R2 e R1.
É fácil provar que neste circuito ele terá um ganho de tensão igual a dois e permanecerá inalterado ao amplificar sinais harmônicos em uma faixa de frequência muito ampla. Com o aumento da frequência do sinal, o ganho do amplificador operacional sem um sistema operacional diminui, mas permanece muitas vezes mais do que duas, e essa queda é compensada por uma diminuição automática no nível do sinal de feedback. Como resultado, o ganho do circuito como um todo permanece inalterado. Mas isso não é tudo. Este circuito possui uma impedância de entrada muito alta, o que significa que praticamente não afeta a fonte do sinal. Também possui uma impedância de saída muito baixa, o que significa que, em teoria, ele deve manter a forma de onda mesmo quando estiver operando com uma carga de impedância suficientemente baixa e com resistência complexa, indutiva e capacitiva.É realmente simples assim obter o AMPLIFICADOR PERFEITO?Infelizmente, não, como qualquer moeda tem uma águia e coroa, o mesmo acontece com o feedback de seu lado sombrio.O que é bom para o russo é para o alemão - morte ou um pequeno equipamento de rádio
Na engenharia de rádio, o efeito da interação de sinais de duas frequências diferentes aplicadas a um elemento não linear chamado intermodulação é bem conhecido . O resultado é um sinal complexo com combinações de frequências (harmônicas), dependendo da frequência dos sinais originais f1 e f2, de acordo com a seguinte fórmula:As frequências obtidas são menores em amplitude do que os harmônicos parentais e, em regra, seu nível diminui rapidamente com o aumento dos coeficientes inteiros me n.A maior amplitude terá harmônicos, chamados harmônicos de segunda ordem com frequências:e frequências harmônicas de terceira ordem :Na engenharia de rádio, esse efeito é amplamente utilizado para conversão de frequência. Graças a ele, os receptores modernos funcionam. A conversão de frequência ocorre em misturadores construídos com base em elementos não lineares, que são frequentemente usados como junção pn de um diodo, poço ou transistor. O mixer recebe o sinal útil recebido e o sinal do oscilador - oscilador local ao mesmo tempo.Na saída, obtemos uma ampla gama de sinais:Mas, graças ao filtro de banda estreita do PLL, selecionamos o sinal que precisamos com uma frequência intermediária f pr = f g- f s e o amplificamos no amplificador IF. Depois, há uma detecção usando o seguinte elemento não linear, geralmente um diodo e na saída após o filtro passa-baixo, a figura não é mostrada, obtemos um sinal de frequência sonora.IMD ( Distorção de Intermodulação)
No entanto, se o efeito da intermodulação é vital para os receptores, em amplificadores de baixa frequência causa o aparecimento de distorções não lineares, chamadas de intermodulação. Afinal, um sinal de áudio contém simultaneamente harmônicos de um grande número de frequências que diferem muito em amplitude, e os transistores que compõem o amplificador, como diodos, são elementos não lineares. Distorções que ocorrem devido ao mecanismo descrito acima, no de língua Inglês nomes de origem de distorção de intermodulação abreviada do IMD , a forma como a abreviatura russa para eles IMI .Esse tipo de distorção é muito mais desagradável pelo ouvido do que a limitação de amplitude banal do sinal; a fonte de sua aparência em cada caso específico é muito mais difícil de detectar e, o mais importante, eliminar.Eles estão lutando contra esse efeito usando transistores mais avançados que operam no modo linear e usando amplificadores locais dentro da mesma cascata de amplificação ou feedback geral profundo - jack de todos os negócios! No entanto, tudo é bom com moderação - se as frequências dos harmônicos parasitas do sinal estiverem na região de decaimento rápido da resposta de frequência do amplificador, o feedback poderá não ter tempo para compensar a distorção do sinal e até servir como fonte de distorção adicional.Chegou a hora de finalmente pesquisarmos o lado sombrio do feedback
Feedback do lado escuro
Para detectá-lo, montaremos o amplificador de acordo com o diagrama acima no LM324 op-amp, mas com classificações ligeiramente diferentes dos resistores de realimentação para obter um ganho de unidade.E agora vamos alimentar na entrada um pulso retangular de pequena amplitude, cerca de 100 milivolts.O que obtivemos na saída não parece um sinal de entrada. O que aconteceu e por que o feedback não nos ajudou? Como sempre, a culpa é da física, seu mundo é muito mais complicado do que nossos modelos matemáticos baseados em aproximações grosseiras. O fato é que nosso amplificador é um dispositivo muito complexo.
Ele contém muitas capacitâncias dispersas localizadas dentro dos transistores integrados, seus componentes e nas conexões entre os estágios. A natureza das capacidades parasitárias é muito diferente, por exemplo, devido ao tempo de absorção de portadores de carga minoritária em um semicondutor. Os próprios transistores, nos quais nosso amplificador operacional é construído, são dispositivos de amplificação com grande não linearidade. Além disso, os elementos da placa de circuito também têm sua capacidade, especialmente se as recomendações estabelecidas no rastreamento não foram levadas em consideraçãono meu artigo anterior .No momento da chegada da borda negativa do sinal, o feedback detecta que a tensão na entrada não corresponde à saída. Aumenta acentuadamente o potencial da entrada inversora em relação à não inversora, de modo a transferir o salto de tensão na entrada do amplificador o mais rápido possível, mas não tem tempo para fazer isso, porque precisa primeiro carregar as capacitâncias parasitas de todo o caminho de amplificação e obter um bloqueio do sinal frontal na saída. Além disso, quando o sinal de entrada também para de mudar abruptamente, o feedback é forçado a descarregar essas capacidades. Como resultado, obtemos uma saída na saída, que mais tarde se transforma em um processo oscilatório amortecido. Em casos particularmente tristes, esse processo oscilatório pode se arrastar por um longo tempo - o amplificador entra em um estado de auto-excitação.Como resultado, novos harmônicos que não estão presentes na entrada - distorções não lineares - aparecem no sinal na saída do amplificador..
A não linearidade inerente às cascatas de transistor força os desenvolvedores a usar um feedback negativo forte como a solução mais simples para ajustar os parâmetros do amplificador para atender aos requisitos de um baixo nível de distorção harmônica e de intermodulação, é claro, medido por métodos padrão . Como resultado, amplificadores de potência industriais com profundidade OOS de 60 e até 100 dB não são incomuns atualmente.Vamos descrever o circuito real de um amplificador de potência de transistor simples. Podemos dizer que é de três estágios. A primeira cascata de amplificação no amplificador operacional A1, a segunda nos transistores T1-T2 e a terceira também no transistor T3-T4. Nesse caso, o amplificador é coberto pelo circuito de feedback geral, destacado em vermelho, que é alimentado através do resistor R6 à entrada não inversora do amplificador operacional. A palavra-chave aqui é comum - o feedback aqui é alimentado não da saída do amplificador operacional para sua entrada, mas da saída de todo o amplificador.
Como resultado, o amplificador operacional, devido ao seu enorme ganho, deve ajudar a lidar com vários tipos de não linearidades e interferências nos estágios do amplificador de transistor. Listamos abaixo os principais:- transistores em tal inclusão podem operar em um modo muito não linear quando o sinal passa pelo zero e para sinais fracos;
- na saída, o amplificador é carregado com uma carga complexa - o sistema de alto-falantes. O circuito mostra seu equivalente - resistência R15 e indutância L1;
- Os transistores operam em um modo térmico difícil e a temperatura de seu gabinete depende significativamente da potência de saída e seus parâmetros dependem fortemente da temperatura;
- As capacidades de instalação e vários tipos de interferência podem ter um valor decente e os erros de rastreamento podem facilmente levar a um feedback positivo e auto-excitação do amplificador;
- Aumenta significativamente o papel da interferência induzida pelo poder;
E Shelter ajuda, mas como tola, ela ora a Deus por um aforismo conhecido e às vezes é muito diligente. Existem problemas com a capacidade de sobrecarga de estágios individuais, cujos transistores caem no modo de limitação de sinal. Eles vão do modo linear, é claro, do modo relativamente linear para os modos de corte ou saturação. Eles saem muito rapidamente e retornam a ele muito mais lentamente, devido ao processo lento de reabsorção de fontes de carga menores em junções de semicondutores. Vamos considerar com mais detalhes esse processo e suas conseqüências.TIM. “”
A capacidade de sobrecarga de um amplificador é um parâmetro que descreve quantos decibéis a tensão ou potência nominal de saída difere do máximo quando as limitações de potência de saída começam - osamplificadores de transistor de recorte possuem baixa capacidade de sobrecarga, especialmente para os estágios terminal e pré-terminal. A potência nominal do máximo geralmente difere em apenas 40%, isso é inferior a 3 dB.Imagine que nosso amplificador consiste em um pré-amplificador de correção ideal e UMZCH coberto por feedback com um coeficiente B. É importante observar que o sinal V1pode conter componentes de frequência muito alta. O pré-amplificador C atua como um filtro passa-baixo, produzindo um sinal de entrada V2para o amplificador A, contendo apenas componentes que caem na banda de frequência de áudio.
A tensão na entrada do amplificador de potência V 2 tem um tempo de subida determinado pelo pré-amplificador, o gráfico mostra que está suavizado. No entanto, uma tensão V 3 , a corrente na saída do adicionador está presente emissão provocada pela realimentação para compensar a baixa velocidade aspiração Um amplificador de potência com uma amplitude V maxEmissão do sinal V 3 pode ser de centenas ou mesmo milhares de vezes maior do que a amplitude nominal do nível de sinal de entrada. Pode exceder significativamente a faixa dinâmica do amplificador. Durante essa sobrecarga, o ganho de outros sinais presentes na entrada diminui, causando uma explosão instantânea de distorção de intermodulação. Essa explosão é chamada distorção de intermodulação dinâmica TID , porque leva à influência de um sinal na amplitude de outra intermodulação e depende mais das características de tempo e amplitude do sinal de entrada do que simplesmente da característica de amplitude, como no caso de distorções simples de intermodulação.
No circuito mostrado, o amplificador operacional possui o maior ganho de tensão, mas possui uma boa capacidade de sobrecarga - retém pequenas distorções não lineares quando a faixa de tensão de saída está próxima da tensão de alimentação. A situação com a cascata nos transistores T1 e T2 é muito pior - são amplificadores de corrente, que são bastante simples de tirar da operação normal e pode levar um tempo relativamente longo para restaurá-lo. Os picos de tensão de realimentação amplificados por amplificadores operacionais e alimentados à entrada desses transistores podem ter valores muito grandes. Eles levam a uma sobrecarga do segundo estágio de amplificação. T1 e T2 podem entrar no modo de saturação, perder suas propriedades de amplificação e permanecer nele por algum tempo, mesmo depois que a borda afiada do sinal de entrada desaparece,até que a carga se dissipe em todos os tipos de contêineres perdidos. Capacitâncias espúrias e possíveis elementos da correção da resposta em frequência são mostrados aqui com a ajuda dos elementos R e C.
Métodos para medir a distorção de intermodulação e métodos para lidar com eles
De acordo com o método padrão para medir a distorção de intermodulação, dois sinais são introduzidos simultaneamente no objeto medido: frequências baixas f 1 e altas f 2 . Infelizmente, países diferentes usam frequências de medição diferentes. Diferentes padrões fornecem frequências diferentes - 100 e 5000 Hz, 50 e 1000 Hz ...O mais comum é o uso de frequências de 400 e 4000 Hz, aprovadas nas normas DIN 45403, GOST 16122-88 e IEC 60268-5. A amplitude de um sinal com uma frequência de f 1 é 12 dB 4 vezes maior que a amplitude de um sinal com uma frequência de f 2 . Dependendo da não linearidade da característica, no ponto de operação é simétrica em relação à frequência f 2diferenças e oscilações Raman totais f 2 ± f 1 ef 2 ± 2f 1 de ordens superiores são formadas. As vibrações resultantes de combinação de segunda ordem com frequências f 2 ± f 1 caracterizam vibrações quadráticas e de terceira ordem com frequências f 2 ± 2f 1 - distorções cúbicas do objeto de medição.Um par de frequências de 19 e 20 KHz com um nível de sinal igual também é amplamente utilizado, conveniente principalmente porque o harmônico principal que cai na faixa de áudio, nesse caso, é um sinal com uma frequência de 1 KHz, cujo nível é fácil de medir.Para fornecer sinais de medição, são utilizados não apenas geradores, mas também CDs de medição especialmente gravados em estúdio e até discos de vinil.Há cerca de 30 anos, para medir o coeficiente de distorção de intermodulação, eram necessários instrumentos complexos e caros, disponíveis apenas em laboratórios e estúdios, por exemplo, a composição do suporte de medição para um amplificador de captação:- Plataforma giratória;
- Placa de medição;
- Coleta;
- Amplificador de correção;
- Filtro passa-banda;
- Detector de linha;
- Filtro passa-baixo.
- E, é claro, V é um voltímetro que pode medir o valor efetivo das oscilações sinusoidais!
Hoje, mesmo uma simples placa de música para computador de 16 bits com um preço de até US $ 30, com um programa de medição especial e circuitos de correspondência simples, pode fornecer uma qualidade de medição muito melhor.Os padrões descritos são muito convenientes para os fabricantes de equipamentos de reprodução de som sem nenhuma dificuldade; você pode obter belos números pequenos nos dados do passaporte , mas não reflete muito bem a qualidade real do caminho do amplificador. O resultado, é claro, é o desenvolvimento da subjetividade - quando dois amplificadores ou até placas de áudio caras que possuem praticamente os mesmos parâmetros "som" em um sinal musical complexo de maneiras completamente diferentes, você não pode ficar sem ouvir antes de comprar.Amadores de entusiastas do som de alta qualidade e fabricantes individuais de equipamentos de alta classe estão tentando promover seus métodos de medição com base em aproximações menos divorciadas da realidade. Existem técnicas de múltiplas frequências, técnicas que exploram a interação da frequência harmônica e um único pulso, com base em sinais de ruído e outros. No entanto, desta vez não teremos tempo para discuti-los em detalhes.
Também abordaremos brevemente os métodos para combater a distorção da intermodulação:- Ajuste de circuitos para obter bons resultados para técnicas de medição padrão;
- Feedback dependente da frequência e cadeias de correção de frequência das cadeias R5, C3 e R14, C8 na figura neste artigo ;
- O uso de cadeias de feedback locais, cobrindo um ou dois estágios de amplificação;
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