Оценка нелинейности некоторых  ОУ

Свинтенок В. А.

Работая над созданием установки, пришлось замерять нелинейность как пассивных, так и активных элементов. Сведений, необходимых мне для этой работы в Интернете оказалось недостаточно (может быть и не нашел). На пассивные элементы они вообще слабо представлены, поэтому приходилось продвигаться методом отбора с постепенным повышением уровня отбора. Таким образом, скопился некоторый материал по нелинейностям группы элементов, который и хочу предоставить вашему вниманию.

Просмотр некоторых веток форумов показал, что есть определенный интерес по применению некоторых типов микросхем для усиления и для обработки звукового  сигнала и которые используются радиолюбителями в своих конструкциях и при апгрейдах. Данная статья может послужить и как дополнение к имеющимся уже материалам, а также может оказать помощь радиолюбителям в выборе того или иного конкретного типа микросхемы для своей конструкции.

В данной работе представлен обработанный и накопленный ранее материал по нелинейности коэффициента усиления (коэффициент гармоник - Кг)  ряда ОУ, по спектральному составу этих искажений и их характеру, а также показано влияние нагрузки (два значения) и уровня сигнала (два уровня) на эти искажения.

 В процессе измерения и обработки удалось выявить некоторую специфику работы у некоторых ОУ не оговоренных или завуалированных в ТУ на эти микросхемы, специфику работы при использовании микросхем в различных режимах, а также выявить несколько микросхем, как мне кажется, «незаслуженно» обойденных на форумах. Следует отметить, что эта работа не претендует на полноту обзора всех имеющихся типов ОУ. Она призвана помочь радиолюбителям, в том числе и любителям «хорошего звука» в выборе и применении того или иного типа микросхемы в той или иной конструкции, где важны низкие значения искажений с низкими значениями спектральных составляющих этих искажений.

Измерение коэффициента гармоник микросхем проводилось по мере возможности в одинаковых условиях, на частоте 10кгц как в инвертирующем, так и в неинвертирующем включении. Метод измерения (Кг) фильтровый, с частичным подавлением основной гармоники. Полоса частот регистрируемых гармоник до 90кгц. Указанной полосы частот достаточно для оценки спектра искажений хороших по качеству ОУ. Не следует принимать приведенные значения Кг как абсолютные, т.к. в измерении использовались по одному экземпляру ОУ.

Немного об установке и методике измерений.

Блок схема установки представлена ниже.

_____________________

Г – генератор (Г3-118). Собственные нелинейные искажения в диапазоне 1кгц – 10кгц не более 1,4*10-4 % при выходном напряжении 2в (здесь и далее действующее).

Ф1 – фильтр нижних частот (LC). Подавление напряжения вне полосных частот более 40дб, входное и выходное сопротивление фильтра около 600ом.

О – объект тестирования.

Ф2 – режекторный фильтр, пассивный 2Т-мост (RC) с глубиной подавления более 60дб, входное сопротивление (10кгц) около 5ком.

У – усилитель, коэффициент усиления 100, собственные нелинейные искажения менее 0,001% при выходном напряжении 1в.

ЗК – звуковая карта (Waveterminal 192X), поддерживающая разрешение 24бит, 192кгц и имеющая собственные нелинейные искажения менее 0,001% при входном напряжении  0,2в.

СА – программа по спектральному анализу с поддержкой 24бит, 192кгц и разрешением FFT до 1048576 точек. Спектральное окно – Blackman. Длительность выборки регистрируемого сигнала 2мин – 3мин.

Собственная нелинейность установки при тестировании с выхода генератора Г – 0,00014%, а с выхода фильтра Ф1 – 2*10-6 (при глубине подавления режекторного фильтра 60дб).

При тестировании ОУ в неинвертирующем включении в режиме измерения с выхода Ф1 (далее «прямой» метод тестирования) на результат измерения Кг оказывает некоторое влияние выходное сопротивление фильтра Ф1 (из-за нелинейности входной емкости ОУ при синфазных напряжениях). Обойти это ограничение можно путем проведения измерений «косвенным» методом (см. например описание на ОРА134). Суть его в том, что по входному сигналу коэффициент усиления ОУ  делается равным единице, а по шуму и нелинейным составляющим (для определенности), например, сто. Затем, после замера, значения амплитуд спектральных составляющих высших гармоник понижается в 100 раз. Этот режим осуществляется включением между входами тестируемого ОУ резистора 10ом, а между выходом ОУ и его инвертирующим входом резистора величиной 1ком. Использование этого метода существенно увеличивает разрешающую способность установки. Собственная нелинейность установки в этом случае будет: при тестировании с выхода генератора Г – 1,4*10-6%, а с выхода фильтра Ф1 – менее 10-6.

В данной работе большинство ОУ в неинвертирующем (Ку = 1) включении тестировались обоими методами.

Калибровка системы осуществлялась установкой необходимого напряжения (1в – 5в) на выходе объекта измерения и установкой коэффициента подавления режекторного фильтра либо среднеквадратичным милливольтметром, либо используя инструментальные средства программы спектрального анализа. Амплитуда спектральных составляющих снималась с экрана монитора и вводилась в небольшую программку (в эксел), в которой данные корректировались в соответствии с АЧХ 2Т-моста и звуковой карты, нормировались, рассчитывался  Кг.

Приведенные здесь ОУ сгруппированы в три группы: «каскодные» с биполярными транзисторами на входе, с полевыми транзисторами на входе и прочие (с токовой обратной связью, многокаскадные и др.). Все измерения проведены при рекомендуемом напряжении питания, значения которых оговорены разработчиками в ТУ.

Что отображено в таблицах.

Во второй строке «Ку» в скобках указаны номиналы резисторов цепи обратной связи.

В строке таблицы «Rн» указаны эквивалентное сопротивления нагрузки с учетом (где это нужно) резистора в цепи обратной связи усилителя.

В следующей строке «Спектр(db)» приведены значение третьей гармоники относительно второй, принятой за 0 db и значение одной из высших гармоник (с 4 по 9 гармоники и имеющее максимальное значение), относительно второй или третьей (что больше).

Строка «Характер спектра» качественно характеризует вид и степень затухания спектрального состава искажений. При разнице между максимальным значением 2 (или 3) гармоникой и максимальным значением одной из высших гармоник меньше 15 db и  при длинном и слабо затухающем спектре - спектр искажений характеризуется как «Жесткий». В пределах 15 db - 30 db и количестве регистрируемых гармоник в спектре до семи – «Средний». И при разнице более 30 db и количества регистрируемых гармоник в спектре до семи – «Мягкий». Значения, взятые в скобки (например - (Средн.)) указывает на то, что одно из условий не выполняется.

В строке «Uвых гран» дается выходное напряжение (ориентировочное), начиная с которого начинается резкий рост высших гармоник.

И в последней строке: КгП – коэффициент гармоник, полученный при измерении «прямым» методом и КгК – «косвенным».

Первая группа.

Вторая группа.

Третья группа.

Свинтенок В. А. <svaleks @ rambler . ru>

____________________________________