Amplificazione

Caratterizzazione di un amplificatore in banda audio

Definizione di DISTORSIONE

Iniettando un segnale in ingresso ad un amplificatore si può verificare alla sua uscita la comparsa di segnali la cui frequenza non era contenuta nel segnale originale. Il processo di distorsione è dovuto alla non linearità. Il dispositivo di amplificazione non "genera" direttamente le nuove frequenze, ma sono un inevitabile sottoprodotto della distorsione. Le più "famose" sono "THD" e "IMD"

Distorsione armonica "THD"

Con un singolo tono in ingresso si verifica la comparsa di più segnali in uscita di frequenza multipla (x2, x3, ecc..) del segnale d'ingresso.

Distorsione d'Intermodulazione "IMD"

Con un segnale a più frequenze in ingresso compaiono in uscita segnali con frequenze dipendenti dalla combinazione per somma e differenza delle frequenze in ingresso.

La distorsione armonica THD, genera armoniche del segnale originale (da qui il suo nome), diversamente, la distorsione d'intermodulazione IMD genera frequenze che non sono correlate armonicamente alla frequenza d'ingresso, questo la rende più invadente della distorsione armonica ed è uno dei principali colpevoli che può far suonare "male" gli amplificatori.

Gli effetti della distorsione armonica THD sono generalmente benigni, a condizione che la distorsione totale misurata sia inferiore allo 0,1%, può essere maggiore senza diventare udibile, ma valori superiori allo 0,5% sono considerati "lo-fi".

Un amplificatore che presenta una distorsione armonica avrà ha anche una distorsione di intermodulazione: i due sono inseparabili, alti livelli di THD significa che ci saranno alti livelli di IMD.

Distorsione armonica e rumore (THD / THD+n)

Esempio:

THD e THD + rumore di fondo (THD+n) di un amplificatore, con potenza uscita 1W e 10W su carico resistivo 6 Ω.

Regolare opportunamente livello ingresso amplificatore per ottenere in uscita, leggendo su modulo "Volt meter" di VA:

• Level out DUT > 1 W/6 Ω = 2,45 Vrms (6,9 Vpp - class A)

• Level out DUT > 10 W/6 Ω: = 7,75 Vrms (21,8 Vpp - class A)

• Max Level DUT > 52 W/6 Ω: = 17,67 Vrms (50,0 Vpp - class B)

• Clipping DUT > 62 W/6 Ω: = 19,44 Vrms (55,0 Vpp - class B)

Il modulo analizzatore di spettro di VA mostra la fondamentale (1 KHz) con il ventaglio di armoniche generate dall’amplificatore. L’analizzatore THD di VA eseguirà automaticamente il calcolo della THD e THD+n

Distorsione d'intermodulazione (IMD)

Esistono fondamentalmente due metodologie, ITU-R e SMPTE, ambedue verificano la distorsione di intermodulazione IMD, inviando al suo ingresso due toni di diversa frequenza F1 e F2.

SMPTE invia due toni distanti in frequenza (60 Hz e 7 KHz) di ampiezza diversa e si basa sul rilevamento della modulazione (AM) di F1 con F2.

ITU-R invia due toni vicini in frequenza (15 KHz e 14 KHz) di pari ampiezza e si basa sul rilevamento della differenza di frequenza generata nel battimento di F1 con F2.

1 - Rilievo IMD in standard SMPTE

Il modo ottimale per misurare l'IMD è utilizzare lo standard SMPTE (Society of Motion Picture & Television Engineers) RP120-1994, che utilizza un tono a 60 Hz e un tono non armonicamente correlato, solitamente 7 KHz, con un rapporto di ampiezza di 4:1 (12 dB).

Visual Analyzer prevede nel modulo “Waveform Generator” oltre la generazione di varie tipologie di forma d’onda e rumore, la peculiare caratteristica di creare dei segnali multitonali personalizzati

Creiamo un file multitono con una coppia di toni: F1: 60 Hz + F2: 7 KHz. seguendo le 4 immagini in seguito.

Questo test cerca le bande laterali attorno al tono 7 KHz, la cui presenza indica una modulazione di ampiezza, quindi una distorsione di intermodulazione. Nel modulo analizzatore di spettro di VA allarghiamo lo span a 900 Hz (X-axis: x4) con FFT 32768 con il tono 7 KHz al centro, per verificare in dettaglio la quantità di IMD

Esempio:

IMD Taliesin, con potenza uscita 1W, 10W e 52W su carico resistivo 6 Ω. Regolare il livello ingresso amplificatore per ottenere in uscita dispositivo, leggendo su modulo "Volt meter" di VA:

• Level out DUT > 1 W/6 Ω = 2,45 Vrms (6,9 Vpp - class A)

• Level out DUT > 10 W/6 Ω: = 7,75 Vrms (21,8 Vpp - class A)

• Max Level DUT > 52 W/6 Ω: = 17,67 Vrms (50,0 Vpp - class B)

Le bande laterali sono chiaramente visibili e mostrano che il tono a 7 KHz è effettivamente modulato in ampiezza. Questa rappresentata è una distorsione di intermodulazione “IMD” del Taliesin, amplificatore con un THD a 10 W di circa 0,0062 %, vedi rilievi THD precedenti.

Un amplificatore con una distorsione IMD inferiore mostrerebbe solo il tono a 7 KHz, con le bande laterali sepolte nel rumore.

Le bande laterali sono spaziate a intervalli di 60 Hz se la distorsione è asimmetrica, 120 Hz con distorsione simmetrica.

Il modulo oscilloscopio di VA, nel riquadro superiore, mostra il tono composito, una forma d’onda ben conosciuta da chi lavora in RF, la tipica modulazione di ampiezza (AM) il tono a 60 Hz è la frequenza "modulante"', il tono 7 KHz sarebbe la frequenza "portante".

Il test SMPTE mostrerà le bande laterali alla fondamentale 7 KHz indipendentemente dal fatto che la distorsione sia simmetrica o asimmetrica.

1 - Rilievo IMD in standard ITU-R

Altro metodo per rilevare la distorsione di intermodulazione IMD è composto dalla presenza di due segnali "F1 e F2" di ampiezza paragonabile e frequenza diversa, ma vicina, normalmente tale differenza è 1 KHz.

In queste condizioni, sull’uscita del sistema si riscontra la presenza di segnali aventi frequenze di valore dipendente dalla combinazione per somma e differenza delle frequenze F1 e F2 in ingresso.

Prodotti di intermodulazione del 2° ordine (IM2) sono: (F1 – F2) e cadono distanti dalle fondamentali F1 e F2

Prodotti di intermodulazione del 3° ordine (IM3) sono: (2F2-F1) e (2F1-F2) e cadono adiacenti alle fondamentali F1 e F2

N.B. ignoriamo volutamente i prodotti di intermodulazione che cadono al di fuori della banda 20 KHz di nostro interesse.

Il rilievo IMD con il metodo ITU-R si basa sul rilevamento della differenza di frequenza, gli amplificatori con distorsione simmetrica non riusciranno a fornire un risultato affidabile, il segnale di 1 KHz risultante per differenza di frequenza verrà visualizzato solo se il circuito è asimmetrico.

Con un amplificatore con distorsione simmetrica, il grafico sopra non mostra la differenza di frequenza, F1-F2 (1 KHz) 2° ordine (IM2), mostra solo le bande laterali distanziate di 1 KHz a 13 KHz (2F2-F1) e 16 KHz (2F1-F2) 3° ordine (IM3).

Le due bande laterali, 13 KHz e 16 KHz, sono un buon indicatore di IMD, ma la differenza di frequenza F1-F2 (1 KHz) non lo è, quando la distorsione è simmetrica (come sarà il caso di quasi tutti gli amplificatori push-pull), la differenza di tono 1KHz scompare.

L'IMD può ancora essere giudicato dalle bande laterali a 13 KHz e 16 KHz (prodotti IMD di 3° ordine), e questo dovrebbe essere ciò che viene misurato quando viene applicato il test ITU-R. Pertanto, è sicuro affermare che questo metodo funziona, a condizione che le frequenze di somma e differenza F1+F2 e F1-F2 (prodotti IMD di 2° ordine) non siano considerate.

Il modulo oscilloscopio di VA, mostra la forma d'onda del tono composito (F1 e F2). La forma d’onda visualizzata non è una modulazione di ampiezza, ma mostra la frequenza della pulsazione 1 KHz. È importante non confondere la frequenza della pulsazione con l'intermodulazione, poiché sono fenomeni completamente diversi.

Le bande laterali sono create da qualsiasi non linearità nel sistema. Se sono presenti le bande laterali, il segnale è stato sottoposto a un grado di modulazione di ampiezza, che è il risultato diretto della non linearità, ciò è mostrato chiaramente nelle immagini che seguono.

Nel modulo analizzatore di spettro di VA regoliamo adeguatamente lo span per visualizzare i prodotti intermodulazione

• 3° ordine (IM3) = span a 3500 Hz (X-axis = x1) visualizza le due fondamentali 15 KHz (F1) e 14 KHz (F2) e i prodotti intermodulazione 13 KHz (2F2-F1), 16 KHz (2F1-F2)

• 2° ordine (IM2) = a 878 Hz (X-axis = x4) per visualizzare il prodotto intermodulazione 1 KHz (F2-F1)

Conclusioni

Alcuni considerano la misura di THD inutile, perché a loro dire, una singola frequenza non può essere paragonabile al complesso segnale musicale composto da molteplici frequenze. Questa affermazione è semplicemente falsa !

Un amplificatore non deve gestire più frequenze contemporaneamente. C'è un solo valore di tensione e corrente presente in qualsiasi istante nel tempo e il segnale non passa più volte attraverso un amplificatore. Il valore istantaneo dell'ingresso viene amplificato istante per istante.

Le forma d’onda mostrate nel modulo oscilloscopio di VA; pulsante nel test IMD-ITU-R e modulata in ampiezza nel test IMD-SMPTE, sono una dimostrazione che non ci sono mai due segnali separati: quando sommati si ottiene una forma d'onda composita e in qualsiasi momento è presente un solo valore di tensione, che i segnali siano 1 o 2 o 1000 (come un segnale musicale).

L'IMD è molto più difficile da misurare e quantificare con precisione rispetto al "semplice" THD, ma in generale si può essere certi che se il livello di THD è sufficientemente basso, è improbabile che l'IMD sia un problema serio.

Un THD basso significa un'elevata linearità attraverso il circuito e se un circuito è sufficientemente lineare è improbabile che generi un IMD importante.

Guadagno

Inviare un tono 1 KHz generato da "Waveform Generator" in ingresso al dispositivo in test, vedi banco in figura. possiamo verificare contemporaneamente livello ingresso e livello uscita. Regoliamo livello ingresso per raggiungere potenza uscita 1 W/6 Ω. Il rapporto tra uscita / ingresso Taliesin: 6.910 V / 0.118 V = Guadagno 58,5 (circa 35 dB)

Potenza Limite (class B)

Inviare un tono 1 KHz generato da "Waveform Generator" in ingresso al dispositivo in test, vedi banco precedente.

Verifichiamo il comportamento dell'amplificatore al diminuire del carico alla sua uscita da 6 Ω a 3 Ω, accettando una THD in uscita di circa 0,2%, conseguentemente la potenza aumenterà da 56 W/6 Ω a 79 W/3 Ω.