Některé parametry zesilovačů pracujících v čisté třídě A firmy HIFI & Art

 Dále jsou uvedeny některé naměřené technické parametry zesilovačů fy HIFI & ART v rozsahu obvyklém u testů publikovaných v odborném tisku.

  Jedním z měřítek kvality zesilovačů je činitel harmonického zkreslení a spektrální čistota zesíleného harmonického signálu. Tento parametr udává schopnost zesilovače přenést bez tvarové deformace jak harmonický ( sinusový ) signál, tak i signál hudební.

Celkové harmonické zkreslení (total harminic distortion) THD

Když přivedeme do zesilovače „čistou“ dokonalou sinusovku (na obrázku vlevo), na výstupu zesilovače získáme sinusovku určitým způsobem deformovanou (na obrázku vpravo).

 

 

 

Průběh už nebude sinusový (harmonický) ale pouze periodický s frekvencí (dobou periody T) stejnou jako původní sinusovka, které se říká první harmonická. Deformace sinusovky je způsobena tzv. vyššími harmonickými, tj. sinusovkami které mají různé amplitudy (a tedy i efektivní hodnoty) a  jejichž frekvence jsou celistvými násobky frekvence první harmonické tj. původní sinusovky.

Tak druhá harmonická má dvojnásobnou frekvenci (vejdou se dvě na dobu periody T první harmonické) a, třetí harmonická má trojnásobnou frekvenci (vejdou se tři na dobu periody T první harmonické), čtvrtá harmonická má čtyřnásobnou frekvenci (vejdou se čtyři na dobu periody T první harmonické) atd.

Deformace původní přesné sinusovky vyššími harmonickými probíhá podle tzv. principu superpozice. Ten říká, že okamžitá hodnota výsledné deformované sinusovky v libovolném časovém okamžiku je rovna součtu okamžitých hodnot všech harmonických ve stejném časovém okamžiku (přesně platí pro tzv. stejnosměrné kmity, což je i uvažovaný případ).

 

Celkové harmonické  zkreslení (THD-total harmonic distortion) je číslo vyjádřené v % definované vztahem

kde

u1 je efektivní hodnota první harmonické (základní tón)

u2 je efektivní hodnota druhé harmonické (s dvojnásobnou frekvencí)

u3 je efektivní hodnota třetí harmonické (s trojnásobnou frekvencí)

u4 je efektivní hodnota čtvrté harmonické (s čtyřnásobnou frekvencí )

atd.

Toto číslo ukazuje, jak zesilovač deformuje a zkresluje vstupní signál. Čím je toto číslo menší, tím je zesilovač lepší, ale musí být také udáno, za jakých podmínek (při jakém výkonu a pro jakou frekvenci první harmonické) bylo měření prováděno. ( Závislost THD na výkonu zesilovače viz odkaz na kopii autorova  článku v časopise Stereo & Video číslo 2 z roku 1996 na těchto stránkách Stereo a Video  2 1996 )

Určení amplitud (nebo efektivních hodnot) jednotlivých harmonických se provádí zařízením, nazývaným harmonický analyzátor. Takové zařízení vyrábí ve špičkové kvalitě například firma Brüel Kjaer.

Pro zkreslení o velikosti setin a tisícin procenta a velikosti první harmonické řádu jednotek V (tj. výkony jednotek Wattů- obvyklý potřebný výkon pro normální poslechovou hlasitost), jsou  amplitudy vyšších harmonických velmi malé, řádově jednotky mikrovolt. Pro malé amplitudy první harmonické (desítky a jednotky mV) dosahují amplitudy vyšších harmonických jen desítky nebo jednotky nV.

Na obrázku je kopie obrazovky z analyzátoru Brüel Kjaer při měření THD samotného, velmi přesného generátoru vestavěného v měřicím zařízení pro výstupní napětí (a tedy velikost první harmonické) 1 V ef.

Na vodorovné ose je stupnice frekvence, na svislé ose je logaritmická stupnice velikosti napětí jednotlivých harmonických.

 

 

 

Z obrázku je vidět, že pro 1 V velikosti první harmonické, je velikost druhé harmonické jen asi 5 mikrovolt, třetí harmonické 7 mikrovolt, páté harmonické 4 mikrovolty atd.

Obvyklejší způsob grafického zobrazení z harmonického analyzátoru je nahrazení stupnice napětí ve V stupnicí v dB. Zobrazuje se závislost  na frekvenci, kde un je velikost napětí n-té harmonické (druhé, třetí atd) a u1 je velikost napětí první harmonické. Zobrazení v tomto tvaru je na dalším obrázku. Červená šipka ukazuje vypočtenou velikost celkového harmonického zkreslení samotného generátoru v měřicím zařízení THD = 0.00102 %, tedy velikost tisíciny procenta.

Při měření  malých napětí (pro malé výkony zesilovačů) a nízké hodnoty THD kolem tisíciny procenta jsou amplitudy vyšších harmonických pod hranicí měřitelnosti.

Proto jsou na kvalitu analyzátorů kladeny extrémní požadavky, aby dovedly vyhodnotit a změřit i velmi malé amplitudy signálů. Špičkové analyzátory bývají velmi drahé protože obsahují mnohabitové a přesné A/D převodníky (obvykle  24 bitové).

Z obrázku je také vidět, že pro extrémně malá zkreslení a malé amplitudy první harmonické vyšší harmonické jen tak tak vyčnívají z hladiny šumu. Proto se také uvádí někdy velikost THD+N, tj. včetně šumu.

Je také nutné při měření zajistit vyloučení rušivých vlivů okolního prostředí, zamezení vzniku zemních smyček apod.

 

 

 

Měření THD+N na firemním zesilovači FBA 001

Měření jsou prováděna srovnávací metodou.

 

1. Změří se THD+N gen 1 V  a spektrum samotného velmi přesného generátoru vestavěného v analyzátoru pro velikost výstupního napětí nejprve 1 V.

2. Změří se THD+N nam a spektrum výstupního napětí z testovaného firemního zesilovače ( FBA 001) pro stejnou velikost napětí tj. 1  V

3. Odečte se THD+N gen 1 V  samotného generátoru od změřené hodnoty THD+N nam po průchodu testovaným zesilovačem

4. Získá se skutečná hodnota zkreslení THD+N skut způsobená testovaným zesilovačem

 

 

Z naměřených a vypočtených hodnot je vidět, že zkreslení způsobené zesilovačem pro výstupní napětí 1 V (tj. výkon 0.25 W / 4 Ω) je desetitisícina procenta. V praxi je to při průměrně citlivých reprosoustavách „normální“ poslechová hlasitost.

Stejnou metodou se změří a vypočte THD+N skut pro výstupní napětí generátoru a po průchodu zesilovačem FBA 001 4 V. Výstupní napětí 4 V (tj. výkon 4 W / 4 Ω) je (opět při průměrně citlivých reprosoustavách) již dosti značná poslechová hlasitost.

 

 

Další měření je provedeno pro výstupní napětí ze zesilovače FBA 001 = 7 V (hranice měřitelnosti analyzátoru) tj. pro výstupní výkon 12,25 W nebo  50 W v můstku.

To v praxi představuje již velmi hlasitou poslechovou úroveň, spíše jde o krátkodobé špičky hudebního signálu. Pro měřený zesilovač je k dosažení tohoto výkonu potřebné budicí napětí generátoru 700 mV.

1. Změří se THD+N gen 700 m V  a spektrum samotného velmi přesného generátoru vestavěného v analyzátoru pro velikost výstupního napětí 700 mV.

2. Změří se THD+N nam a spektrum výstupního napětí z testovaného firemního zesilovače ( FBA 001) pro velikost napětí 7  V

3. Odečte se THD+N gen 700 mV  samotného generátoru od změřené hodnoty THD+N nam po průchodu testovaným zesilovačem

4. Získá se skutečná hodnota THD+N skut způsobená testovaným zesilovačem

 

 

 

Z naměřených hodnot pro různé výkony lze vidět, že pro „normální“ i „vyšší“ hladiny hlasitosti se velikost harmonického zkreslení způsobená testovaným firemním zesilovačem pohybuje kolem tisíciny procenta.

Na dalších obrázcích je porovnání naměřených hodnot THD a spekter firemního zesilovače FBA 001 se zesilovači  Mark Levinson No432 a Krell FPB 400 cx pro přibližně stejné měřicí podmínky  (12,25 W FBA a 15 W ML a Krell, 1 kHz).

 

 

 

Za srovnání stojí i zobrazené hodnoty odstupu signál šum a brum pro všechny zesilovače. Z měření vyplývá, že odstup signál.šum měřeného zesilovače FBA 001 je menší než 100 dB, tedy o 20 dB lepší než zesilovače Mark Levinson No432 nebo krell FPB 400 cx.

 

 

 

Dynamické parametry zesilovačů firmy HIFI & Art

 

  Měřítkem kvality zesilavačů s ohledem na přenos skokových změn signálu je obvykle frekvenční charakteristika zesilovačů, přenos pulzního signálu s frekvencemi 1 kHz nebo 3,15 kHz a rychlost  přeběhu zesilovače, udávající maximální možnou rychlost změny výstupního napětí zesilovače do reálné nebo komplexní zátěže. 

 Přestože v možnostech firmy HI FI & ART je vyrobit stabilní zesilovače s frekvenčním rozsahem až do 450 kHz, subjektivními poslechovými testy bylo ověřeno (a také naprostá většina výrobců to tak dělá), že rozumný frekvenční rozsah horního konce kmitočtového pásma je cca 120 kHz. Záleží však na místě v zesilovači, kde se takové omezení frekvenční charakteristiky realizuje.

 

 Odezva na pulzní signál 1 kHz měřená za ještě přísnějších podmínek než než vyžaduje norma IHF je pro tento zesilovač na následujícím obrázku. Obdélníkový signál má podle normy být upraven horní propustí 100 kHz, kdežto na uvedeném obrázku je obdélníkový signál odebírán přímo z generátoru s velkou strmostí. Z obrázku je vidět, že hrany pulzu jsou bez známek nestability a bez zákmitů.

 

HI FI MACHINE-obdélník 1 kHz

 

 Dalším údajem je rychlost přeběhu, udávající maximální možnou rychlost změny výstupního napětí zesilovače do reálné nebo komplexní zátěže.

Pro jmenovitý výkon zesilovače např. 30 W / 8 W ( zesilovač Gold Black Dream) je potřebná rychlost přeběhu podle IEC 2,8 V/μs a naměřená hodnota 9,5 V/μs podle následujícího obrázku ji tedy více než 3 x překračuje. Vzhledem k použitému můstkovému zapojení je pak z principu funkce rychlost přeběhu ještě dvojnásobná.

 

Gold Black Dream -rychlost přeběhu 9.5 V/μsec

 

 Někdy se udává ještě chování zesilovače v limitaci. Ačkoliv o oprávněnosti tohoto testu lze vést spory, je na dalším obrázku průběh výstupního napětí jednoho ze čtyř zesilovačů tvořících můstkové zapojení zesilovače Gold Black Dream ukázán. Průběh je zcela čistý, opět bez známek nestability.

 

Gold Black Dream- limitace