Ламповые усилители. Оценка искажений по осциллографу

Оценка искажений усилителя с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа. Для приближённой оценки качества работы усилителя низкой частоты (УНЧ)   достаточно воспользоваться простым генератором прямоугольных импульсов (ГПИ) и осциллографом. Ко входу испытуемого УНЧ подключают ГПИ, вырабатывающий сигнал частотой 1 кГц и амплитудой, равной половине номинального входного напряжения УНЧ. Выход усилителя нагружают резистивным сопротивлением Rн, равным номинальной нагрузке. Мощность резистора Rн подбирают больше выходной мощности усилителя. Параллельно нагрузке подключают осциллограф как на рисунке

Очень полезна сравнительная оценка идентичности двух стереоканалов при наличии двухлучевого осциллографа. Наблюдая одновременно за двумя выходными сигналами, можно судить о точности сдвоенных потенциометров, идентичности фильтров, а также проводить сравнение их с эталонным сигналом.

Прямоугольный импульс содержит в себе спектр частотных составляющих: основную частоту (совпадает с частотой следования импульсов) и ряд частотных составляющих, хорошо выраженных по крайней мере до десятой гармоники. Если подать на вход усилителя прямоугольные импульсы с частотой следования 50 Гц (обычно для этих целей используют не прямоугольные импульсы одной полярности, а двухполярные прямоугольные импульсы (так называемый “меандр”), это будет равносильно подаче на вход усилителя набора частот от 50 до 500...1000 Гц. Если подать импульсы с частотой следования 1 кГц, то диапазон испытательных частот расширится до 10...15 кГц. Подключив к выходу усилителя осциллограф, на его экране получим изображение испытательного импульса, которое будет неискажённым только в том случае, если частотные составляющие импульса пройдут через усилитель неискажёнными, т.е. не испытают ни частотных (амплитудных), ни фазовых искажений. Если импульс на выходе усилителя имеет такую же форму, как на входе, то все в порядке (сравнение производится при помощи двухлучевого осциллографа или однолучевого, но с электронным коммутатором). Если же форма импульса на выходе искажена, то по характеру искажения можно определить неисправность усилителя. Чувствительность этого метода даже к незначительным искажениям достаточно высокая.

Расшифровывают импульсные осциллограммы следующим образом: искажения вершин прямоугольного импульса (искривление и наклон) обусловлены низкочастотными искажениями сигнала в цепях усилителя, а искажения фронта импульсов (закругление и растягивание) — высокочастотными, поскольку различные участки усилителя для импульсов являются дифференцирующими и интегрирующими цепями. На рисунке ниже, конденсатор С — переходный, a R — общее сопротивление вкодной цепи последующего усилительного каскада. Как через такую RC-цепь проходит прямоугольный импульс? В момент появления фронта импульса конденсатор С начинает заряжаться, но это не может произойти мгновенно, поскольку зарядка конденсатора означает существование между его обкладками электрического поля, которое, обладая энергией, не может измениться мгновенно. Поэтому в первый момент после появления фронта напряжение Uс на конденсаторе равно нулю и ток зарядки зависит только от сопротивления R: Iз=Uи/R. Следовательно, на сопротивлении R в этот момент возникнет скачок напряжения Ur=IзR=(Uи/R)R=Ull. Низкочастотные и высокочастотные искажения показаны на рисунке ниже

Однако уже в следующий момент на конденсаторе С появится некоторое напряжение Uс и ток разрядки будет определяться выражением Iз=Uи-Uc/R, т. е. начнёт уменьшаться. Поэтому напряжение Ur на сопротивлении R тоже станет уменьшаться, а это вызовет искажение (слад вершины) импульса на выходе цепи, которое будет тем больше, чем меньше ёмкость конденсатора С (чем меньше ёмкость, тем быстрее происходит зарядка, тем интенсивнее спадает ток зарядки, тем круче спад вершины импульса). Определяется это не только ёмкостью С, но и сопротивлением R, поэтому способность цепи пропускать через себя импульсное напряжение характеризуется параметром x=RC, называемым постоянной времени. Можно доказать, что за время t=3RC=3x конденсатор зарядится примерно до 0,95 макс. напряжения источника.

Нужно помнить, что импульс претерпевает искажения, которые будут тем меньше, чем больше постоянная времени цепи. Действительно, если длительность импульса Ти много меньше трёх постоянных времени цепи (Ти<3т), то за время импульса напряжение Uc на конденсаторе не успевает существенно измениться, а значит, и вершина импульса почти не исказится. Но если постоянная времени соизмерима с длительностью импульса или меньше её, то RC-цепъ значительно искажает вершину импульса или даже превращает его в два остроконечных импульса (дифференцирует его). Строго говоря, любая RC-цепь, выходное напряжение которой снимают с резистора, является дифференцирующей, но если для данного импульса выдерживается соотношение Ти<Зт, то такую цепь следует считать переходной.

Ниже приведены типичные случаи искажения сигнала при прохождении через УНЧ.

1.Усилитель исправен и он равномерно пропускает сигнал в достаточно широкой полосе частот	2.Ослабление усиления сигналов низких частот при линейной характеристике усилителя. Наклон вызван спадом в области ниже 20 Гц или наличием НЧ-фильтра
3.Подъём усиления на низких частотах. Мала постоянная времени межкаскадных связей (обычно мала ёмкость переходных конденсаторов)	4.Затухание на высоких частотах (примерно -6 дБ на 3 кГц, -15 дБ на 10 кГц)
5.Подъём усиления на высоких частотах (6 дБ на 10 кГц)	6.Затухание на низких частотах (-15 дБ на 50 Гц)
7.В усилителе есть резонирующие цепи и паразитные колебания, частота которых выше верхней границы АЧХ	8.Самовозбуждающийся усилитель, под нагрузкой

9.Несимметрия полуволн означает большие искажения, возможная причина - неточный подбор по коэффициенту передачи выходных элементов	10.Повышение усиления на низких частотах не нормировано
11.Подъём усиления на средних частотах не нормирован	12.Падение усиления на средних частотах не нормировано (провал в вершине)
13.Снижение усиления в узком диапазоне частот не нормировано

Показанные картинки довольно кривые, однако характерные особенности искажения сигнала по ним понять можно. Это полезно при простейшей диагностике вновь изготовленного устройства. Чаще всего, первичная настройка связана именно с устранением явных косяков в работе усилителя. Как правило, этого оказывается достаточно для удовлетворения требований 90% телезрителей к качеству звучания. Качество лампового звука после исправления ошибок окажется вполне пристойным.

Конечно же для более детального обследования созданного вручную лампового устройства и его тщательной настройки нужны более современные средства измерения. Очень перспективным представляется применение компьютерных средств и софта, построенного в оболочке Спектролаба. Кроме высокой точности в таком подходе реализовано удобство сохранения результатов измерения. А как этими результатами распорядиться это уже дело техники. Конечно же продвинутые цифровые средства не отменяют результаты измерения аналоговыми устройствами. Во многих случаях аналоговый измеритель нагляднее и нередко надёжнее. Но прогресс никто не отменит, поэтому цифровые измерители и технологии рулят.

                     Евгений Бортник, Красноярск, Россия, май 2016