Анализ сигнал/шум

5.9 Анализ сигнал/шум

При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе действует некоторое (обычно небольшое) напряжение. Это напряжение обусловлено в основном его собственными помехами, среди которых различают фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и пассивных элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов.

Фон обычно появляется в результате недостаточной фильтрации пульсирующего напряжения источника питания, работающего от сети переменного тока. Гармонические составляющие фона кратны частоте питающей сети.

Наводки образуются из-за паразитных электрических, магнитных, гальванических или электромагнитных связей цепей усилителя с источниками помех.

Микрофонный эффект представляет собой результат преобразования механических колебаний элементов усилителя в электрические, проходящие на выход усилителя. Спектр этих колебаний занимает диапазон 0,1 ... 10000 Гц. Он заметно проявляется у интегральных усилителей с большим коэффициентом усилений, выполненных на одной подложке. Чтобы устранить его, используют рациональную конструкцию элементов усилителя, более надежное их крепление, демпфирование, применяют амортизирующие устройства.

Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным (случайным) движением в объеме проводника (или полупроводника) свободных носителей зарядов (например, электронов). В результате на концах проводника, обладающего некоторым сопротивлением, действует случайная, флуктуационная ЭДС, называемая ЭДС шума Е_ш. Поскольку она периодическая функция времени, то ее спектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нуля до сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.

Фон, наводки и микрофонный эффект в усилителе можно, в принципе, уменьшить до любых заданных значений. Тепловые же шумы и шумы усилительных элементов принципиально неустранимы. Обычно удается лишь минимизировать долю шумов, создаваемых усилительными элементами.

Шумовые свойства высококачественных усилителей оценивают отношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходного напряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя Рном к суммарному напряжению шумов на выходе. Обычно его выражают в децибелах. В усилителях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60..110 дБ.

Динамический диапазон усилителя — это отношение максимального и минимального входного сигнала усилителя при заданном уровне Кг:

Для высококачественного усилителя максимальное значение входного сигнала ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики и принимается равным номинальному входному напряжению U_вх.ном, обеспечивающему поминальную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т. е.

Минимальное входное напряжение U_вх.minдолжно выбираться таким образом, чтобы собственные помехи и шумы усилителя не маскировали выходной при этом:

В предельном случае основными помехами в усилителе являются шумы, при этом:

где — коэффициент помехозащищенности. Отсюда динамический диапазон усилителя

Видно, что отношение сигнал-шум, равное , определяет достижимый динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон является важным техническим показателем усилителя и обычно задается ГОСТ. Для лучших высококачественных усилителей D_у>110 дБ. Источники звуковых сигналов имеют собственный динамический диапазон, равный отношению максимального E_иmax и минимального Е_иmin ЭДС источника сигнала; D_с = Е_иmax/Е_иmin и в логарифмических единицах D_c [дБ] = 20 Ig D_c.

Динамический диапазон звучания симфонического оркестра может превышать 80 дБ, художественного чтения - 30 дБ.

Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажениями и помехозащищенностью необходимо, чтобы Dy>Dc

Для увеличения динамического диапазона усилителя необходимо уменьшать уровень собственных помех, использовать усилительные элементы с более линейной характеристикой (применить высоковольтные мощные выходные транзисторы) и применять ручную или автоматическую регулировку усиления.

5.10 Анализ шума

Для выполнения данного анализа воспользуемся встроенным в Multisim 8 анализом: Noise Analysis.

Установим следующие параметры во вкладке Параметры анализа.

А также во вкладке Частотных параметров

Также необходимо выставить входной и выходной полный шум (inoise_total и onoise_total), во вкладке Output.

Далее получим следующий результат:

В таблице приведены величины шумов, вносимых всеми транзисторами и резисторами схемы.

Для того чтобы результат отобразился в виде графика, необходимо:

1. Выбрать Simulate/Analyses/Noise Analysis.

2. Во вкладке Analysis Parameters активировать Set points per summary и ввести 1 в рядом расположенную строчку.

3. Во вкладке Output выбрать следующие переменные, отображаемые в процессе моделирования:

• onoise_spectrum и onnoise_ spectrum

3.  Далее Simulate. После чего результаты отобразятся в следующем виде:

Из графика видно, что на частотах от 100 Гц до 25 кГц величина U² практически постоянна.

Для получения графика отношение шум/сигнал воспользуемся контрольно измерительным прибором Distortion Analyzer.

Для проведения анализа требуется провести следующие действия:

1.  Подключить прибор Distortion Analyzer к выходу усилителя

2.  Выставить в нем режим измерения отношения сигнал/шум. Автоматически выставится отображение результатов в дБ

3.  Выставить частоту на входном генераторе синусоидального напряжения и такую же в приборе.

4.  Включить симуляцию и выждать некоторое время для получения более точного результата, т.к. в схеме происходит переходный процесс.

5.  Полученный результат записать в таблицу.

6.  Повторит п.3-5 для следующей частоты

7.  Построить график по точкам (данный график построен в Microsoft Office Excel)

Таблица 3

Частота, Гц	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Сигнал, дБ Шум	55,293	55,299	55,357	55,594	55,905	55,907	55,910	55,921	55,926	55,927
Частота, Гц	200	300	400	500	1000	5000	10000	25000	50000	100000
Сигнал, дБ Шум	55,954	55,955	55,954	55,939	55,914	54,905	53,185	49,454	47,963	47,258

Замечание: График построен как отношение шум/сигнал, т.к. по Российскому стандарту измеряется эта величина.

Для построения графика сигнал/шум требуется зеркально отобразить данный график относительно Ох, т.е. заменить дБ на положительные.

Проанализировав данный график можно сделать следующий вывод:

Данный усилитель обладает не очень хорошим показателем отношения шум/сигнал, т.к. эта величина составляет порядка -56 дБ, а для хорошей аппаратуры она должна быть на менее 60 дБ.

Также наблюдается снижение этой величины до -50дБ на граничной рабочей частоте в 20 кГц.

5.11 Температурный анализ

Температурный анализ позволяет определить границы рабочих температур, т.е. те температуры при которых параметры прибора не изменяются и прибор работает корректно.

Для проведения анализа требуется выставить следующие параметры в Temperature Sweep во вкладке Параметры Анализа

А также не забыть установить выходную ветвь (38)

Далее получаем следующий результат:

Результатом являются графики АЧХ и ФЧХ для различных температур, т.к. мы выставили в More Options – AC Analysis

Из графика видно, что рабочие температуры для данной схемы усилителя

от -25ºС до 50ºС.

При увеличении температуры до 100ºС мы наблюдаем смещение АЧХ вниз по оси Амплитуды и при этой температуре наблюдается резкое изменение фазы на частоте от 12 до 18 Гц и дальнейшее смещение фазы на ~180º

При температуре в -50ºС ФЧХ практически не изменяется, но смещается АЧХ вниз по оси амплитуды до 10 дБ, что уменьшает характеристику усиления.

Данный эффект можно объяснить наличием в схеме транзисторов которые изменяют свои характеристики в зависимости от температуры.

5.12 Параметрический анализ

Параметрический анализ позволяет промоделировать схему с различными параметрами элементов, что позволяет выбрать оптимальное их значение.

Для проведения такого анализа требуется:

1.  Выбрать элемент параметры которого требуется варьировать

2.  Выбрать параметр который требуется менять

3.  Выставить выходную цепь

4.  Выставить следующие параметры:

В нашем случае был выбран транзистор 2N2102.

Из графика видно, что изменение параметра BF- максимальный коэффициент усиления в нормальном режиме, который отвечает за усилительные качества транзистора, влияет на АЧХ и ФЧХ усилителя.

Оптимальные значения параметра BF транзистора, полученные с помощью данного анализа: от 30 до 118.

При больших значениях наблюдается искажение ФЧХ и смещение АЧХ вниз по оси амплитуды.

Заметим, что стандартное значения параметра BF=79 (транзистора 2N2102). И это значение расположено практически в середине этого диапазона.

6. Заключение

В ходе выполнения данной работы был промоделирован усилитель мощности звуковой частоты с целью проверки соответствия полученных выходных параметров схемы с заданными техническими характеристиками, а также получить дополнительные сведения об этом устройстве, исходя из возможностей имеющегося в распоряжении ПО.

В ходе данной работы было изучено ПО Multisim 8, в данном случае модуль для проектирования схем и проведения различных анализов.

В результате исследования усилителя мощности при помощи данного программного пакета можно отметить, что:

1. Коэффициент гармоник, %, при номинальной выходной мощности больше заявленного в характеристиках и составляет 0,16% вместо 0,01

2. Данный усилитель имеет плохой показатель отношения шум/сигнал.

3. Усилитель имеет требуемую мощность 35 Вт

4. Данный УМЗЧ способен работать в температурном диапазоне от -25 до 50ºС.

Список литературы

1.  Зи С.М., "Физика полупроводниковых приборов", T.1, Москва, издательство "Мир", 1984.

2.  Атаев Д. И. , Болотников В. А. Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения. : М, "Радио и связь", 193 с., 1986 г.

3.  Столяров А.А., Курс лекций по Микроэлектронике, КФ МГТУ, 2004.

4.  Хоровиц П. , У. Хилл, "Искусство схемотехники", Т.1, Москва, издательство "Мир", 1984.

5.  Ежемесячный научно-популярный радиотехнический журнал "Радио". – М.: ДОСААФ СССР (задание на курсовой проект).

6.  Полупроводниковые приборы, транзисторы. Справочник под ред. Горюнова Н.Н. – М.: Энергоатомиздат, 1985.