Distorsiunile unui amplificator

Pentru înţelegerea mai bună a unui amplificator audio, voi prezenta pe scurt principalele tipuri de distorsiuni. Într-un articol viitor voi prezenta metode simple de măsurare a acestora, dar cred că este bine de citit şi teoria din spatele acestora.

Distorsiuni de neliniaritate, denumite şi distorsiunile armonice, se caracterizează cel mai simplu cu un semnal sinusoidal. Acesta este un semnal periodic, adică forma lui de undă se repetă după o perioadă de timp, numită perioadă fundamentală. Inversul perioadei fundamentale se numeşte frecvenţa semnalului. Denumirea de semnal sinusoidal provine de la funcţia matematică sin. Un semnal sinusoidal văzut pe osciloscop are următoarea formă:

Semnalul sinusoidal este probabil cea mai naturală formă a unui semnal. Ca formă, seamănă cu forma la suprafaţa apei a unui val, cu deplasarea unui pendul care oscilează, cu tensiunea la un circuit LC pe care se aplică un impuls, etc. Fiind un semnal fundamental, se poate presupune că orice semnal periodic poate fi reprezentat printr-o sumă de sinusoide. Orice semnal periodic are o frecvenţă, reprezentînd frecvenţa semnalului sinusoidal de cea mai mică frecvenţă. Dar semnalul conţine şi alte sinusoide în afară de aceasta, la dublul frecvenţei fundamentale, triplul, etc.

Un exemplu este lovirea unei corzi. Deşi vibrează la 1KHz, sunetul rezultat are în componenţă vibraţii de 1KHz, 2KHz, 3KHz, 4KHz, etc, de diferite intensităţi. Acestea se numesc armonici şi apar la multiplii întregi de perioadă fundamentală. Aceste armonici formează timbrul sunetului, sau mai general, pentru semnale, spectrul semnalului. Alt exemplu este semnalul dreptunghiular, care conţine doar armonici impare ale frecvenţei fundamentale.

Spectrul semnalului se poate determina prin ceea ce se numeşte transformată Fourier. Printr-o formulă matematică care nu are rost să fie detaliată, tranformata Fourier porneşte de la cîteva perioade fundamentale ale semnaluli analizat, şi obţine spectrul semnalului.

Revenind la amplificatoare. Un amplificator ar trebui doar să mărească semnalul, proces care nu introduce distorsiuni armonice fundamentale. În realitate însă, orice amplificator introduce armonici suplimentare. Suma armonicilor reprezintă tocmai acest parametru – THD. Iniţialele vin de la Total Harmonic Distortion, adică distorsiuni armonice totale. Apar din cauza neliniarităţii diferitelor componente active care fac parte dintrun amplificator. Spre exemplu, dacă semnalul la intrarea unui tranzistor are amplitudine prea mare, tranzistorul va ieşi din regim liniar şi va intra în regim de saturaţie şi/sau blocare, unde amplificarea este mult mai mică. Astfel vîrfurile semnalului vor fi atenute şi vor apărea distorsiuni THD. Este cazul clasic de clipping. Alt exemplu este reprezentat de distorsiunile de crossover din reglajul greşit al superdiodei, care reprezintă tot distorsiuni de neliniaritate. Distorsiunile de crossover apar indiferent de frecvenţa semnalului la intrare, atît timp cît nu apar şi distorsiuni de amplitudin.

Astfel putem observa că distorsiunile THD sînt relativ independente de frecvenţă. Un sin de 1KHz va determina apariţia la ieşire a aceluiaşi procent de distorsiuni armonice ca un sin de 1,2KHz, doar frecvenţa armonicilor va diferi. Cu alte cuvinte, armonica a doua are 2KHz în primul caz şi 2,4KHz

în al doilea caz, dar amplitudinile de la intrare sînt la fel.

Distoriunile de amplitudine. Acestea sînt datorate faptului că unele frecvenţe se amplifică mai mult decît altele. Un amplificator ideal amplifică la fel semnale de orice frecvenţă. Aşa ceva nu există, iar ce se apropie cel mai mult de un asemenea amplificator este canalul Y de la osciloscop. Acesta poate amplifica egal frecvenţe de la 0Hz pînă la zeci de Mhz. În cazul amplificatoarelor audio, un răspuns bun în bandă este mai greu de obţinut, şi chiar inutil. Urechea umană poate auzi în general semnale între 20Hz şi 16KHz, şi ar fi inutilă şi dificilă realizarea unui amplificator de o bandă mai largă. Aşadar, orice amplificator audio se va comporta ca şi cum ar fi un filtru trece bandă, avînd două frecvenţe de tăiere, la cele două capete a benzii de trecere.Capetele acestei benzi le găsim la frecvenţele unde amplitudinea tensiunii la ieşirea amplificatorului scade cu 3dB faţă de răspunsul în banda de trecere. O variaţie de -3dB reprezintă scăderea la o valoare de 0,707 din valoarea iniţială. Adică dacă un amplificator scoate la ieşire o tensiune de 5Vef în banda de trecere, atunci frecvenţele limită sînt acolo unde tensiunea la ieşire scade la valorile de 3,53V.

Astfel, distorsiunile de frecvenţă duc la atenuarea frecvenţelor de la capetele spectrului audio, iar unele instrumente muzicale de pe înregistrare se vor auzi mai slab.

Adică o sinusoidă de 10Hz va avea altă amplitudine la ieşire decît o sinusoidă de 1000Hz, şi alta decît o sinusoidă la 16KHz. Aceasta se datorează diferitelor componente electronice din componenţa amplificatorului, care atenuează diferit semnale de diferite frecvenţe. Spre exemplu, condensatorul de cuplare între etajele unui amplificator, dacă este de valoare prea mică, poate duce la redarea mai slabă a frecvenţelor joase. Capacitatea Miller a unui tranzistor, pe de altă parte, poate şunta frecvenţele înalte. Faptul că finalii nu pot susţine curent mare pentru mai mult timp prin difuzor duce de asemenea la atenuarea frecvenţelor joase. Din auzite, am aflat că un amplificator bun trebuie să poată susţină pe difuzor amplitudine maximă timp de 100ms, fără să scadă. Aceasta asigură un răspuns foarte bun la frecvenţe joase.

Distorsiunile de fază apar din cauza întîrzierii mai mari a sinusoidelor, în funcţie de frecvenţă. Unele frecvenţe ajung la ieşire mai defazate decît altele, în general, faza are o valoare negativă pentru frecvenţe joase, creşte, are o zonă constantă pentru frecvenţe medii, şi creşte la frecvenţe înalte. Defazajul între intrare şi ieşire, pentru diferite frecvenţe, variază între -90 şi +90 de grade.

Distorsiunile de fază nu alterează percepţia sunetului.

Zgomotul, sau noise (din expresia THD+N) reprezintă zgomotul de bandă largă care apare la ieşire, şi este independent de semnalul de la intrare. Se aude în difuzoare sub forma unui fîşîit, similar cu sunetul unui radio FM care nu este pe post. Apare din mai multe cauze, în general din zgomotul intern al componntelor electronice pasive şi active din etajele de intrare ale amplificatoarelor. O categorie aparte de zgomot este reprezentat de brumul de la reţea, un sunet continuu, cu frecvenţa fundamentală de 100Hz (în cazul folosirii redresării dublă alternanţă a frecvenţei de la reţea).