Měření rušivých napětí na výstupu výkonového zesilovače, v audio pásmu i širokopásmově

Tato stránka je příspěvek k analýze rušivých napětí, která se objevují na výstupu audio komponentů. Zabývá se jak rušivými napětími ve slyšitelném pásmu, tak rušivými jevy v nadakustickém pásmu, až do kmitočtu 10MHz. Konkrétně předkládá měření na výstupu výkonového zesilovače, ale typy rušivých napětí je možné zobecnit na jakýkoliv audio komponent s analogovým výstupem, to znamená i na zdroje signálu a předzesilovače.

1. Rozdělení rušivých napětí podle kmitočtových pásem

Rušivá napětí na výstupu audio komponentů můžeme v zásadě rozdělit na signály, které se nacházejí ve slyšitelné kmitočtové oblasti, tj. cca v rozsahu 20Hz - 20kHz, a na signály v nadakustické oblasti, tj. samostatně neslyšitelné, v rozsahu nad 20kHz s omezením zde do 10MHz. Tyto signály v nadakustické oblasti ale mohou způsobit, v důsledku např. demodulace nebo intermodulace na nelinearitách elektronických obvodů, vznik signálových složek ve slyšitelné oblasti do 20kHz. Proto je důležité se zabývat jak složením rušivých signálů na výstupu audio komponentů, tak odolností jednotlivých audio komponentů vůči nadakustickým signálovým složkám.

2. Vznik nadakustických signálových složek a jejich průnik do audio zařízení

Nadakustické signálové složky, které nemusí být přítomné v samotné nahrávce, mohou vznikat v zásadě 3 způsoby:

- jsou generované samotným audio zařízením, jako např. výsledek činnosti digitálních obvodů v přehravačích a zvukových kartách, důsledek činnosti spínacích zdrojů v audio zařízení, důsledek funkce audio zařízení ve spínacím režimu (class D)

- jsou navázané do přístrojů a propojovací kabeláže vazbou na rychlá elektromagnetická pole ze vzduchu - rádiové a TV vysílače, mobilní telefony

- šíří se po napájecí síti v důsledku připojených zařízení se spínacími zdroji, elektronickými regulátory výkonu apod. Do audio zařízení proniknou přes napájecí zdroj.

V důsledku těchto 3 možných způsobů průniku rušivých napětí do audio zařízení se tyto rušivé signály, eventuálně i zesílené, objeví na výstupu audio zařízení a mohou ovlivnit jak jeho funkci, tak funkci dalších připojených komponent.

3. Analýza rušivých napětí

3.1. Analýza v kmitočtové oblasti

Budeme se nejprve věnovat rušivým napětím na výstupu výkonového zesilovače ve slyšitelném pásmu, tj. do 20kHz. Kromě šumu s charakterem blízkým bílému šumu tam můžeme vidět zbytky po činnosti napájecího zdroje, usměrňovače a filtru s baterií velkých elektrolytických kondenzátorů. Stejnosměrné napětí na napájecích přívodech zesilovače má zvlnění se složkami o kmitočtu 100Hz a násobků 100Hz, výsledek zvlnění na filtračních kondenzátorech. Každý zesilovač má podle obvodového zapojení a provedení jinou schopnost toto zvlnění potlačit. Složky zvlnění se pak objeví ve spektrální analýze na výstupu zesilovače. Mohou zde být i složky 50Hz a lichých násobků 50Hz, které většinou vznikají vazbou obvodů zesilovače ev. propojovacích vodičů na silné elektromagnetické pole napájecího transformátoru.

Při spektrální analýze, kdy na ose X je vynesený kmitočet a osa Y je označená v dB (decibelech), musíme uvést, jakému napětí odpovídá úroveň 0dB, jelikož decibel je poměrná, nikoliv absolutní jednotka. Dále musíme uvést analogovou šířku pásma měřicí cesty, jelikož naměřený šum je tím větší, čím je větší šířka pásma měření. Dále je vhodné uvést vzorkovací kmitočet použitý při měření a počet vzorků, ze kterých se spektrální analýza vypočetla. Bez těchto údajů jsou různá měření mezi sebou neporovnávatelná a v podstatě bezcenná.

3.1.1. Příklad měření rušivých napětí - síťových složek na výstupu zesilovače

Následující obrázek ukazuje měření síťových složek na výstupu zesilovače v rozsahu 20Hz - 2kHz, měřený s analogovou šířkou pásma 20kHz, vzorkovací frekvencí 24kHz a s 4096 vzorky v záznamu. "Dno" měřicí metody a přístroje, tj. nejmenší odečitatelná úroveň, je v tomto případě -110dBV. -110dBV znamená, že jde o -110dB vůči úrovni 1V.

Ze záznamu vidíme, že "šumové dno" mezi zbytkovými síťovými složkami je na mezi měření, tj na -110dBV. Pro danou šířku pásma měření, vzorkovací kmitočet a počet vzorků. Nejvyšší rušivá síťová složka, na 100Hz, má amplitudu cca -94dBV, 20uV (mikrovoltů). Tj. úroveň, kterou nemůžeme slyšet ani s uchem na výškovém reproduktoru reprosoustavy s běžnou citlivostí.

Další obrázek ukazuje úplně stejné měření, ale provedené s analogovou šířkou pásma 10MHz. Vidíme, že "šumové dno" se zdvihlo, takže násobky 100Hz v něm zanikly a nejsme schopni je rozlišit. Je to jednoduchá demonstrace toho, jak šířka pásma měření ovlivňuje dynamický rozsah spektrální analýzy, když všechny ostatní parametry zůstanou beze změny.

Mez metody zůstala na -110dBV, ale širokopásmový šum na výstupu zesilovače zdvihl zdánlivé "šumové dno" o cca 10dB. V předchozím měření byl před vstup měřicího přístroje zařazený RC filtr 20kHz, který omezil šířku pásma a tudíž došlo ke zdánlivému snížení šumu.

Měření by bylo možné opakovat pro větší kmitočtový rozsah, ale nás bude zajímat

3.2. Analýza v časové oblasti

Analýza v časové oblasti je to, co jsme zvyklí vídat na stínítku osciloskopu, to je průběh okamžité amplitudy výstupního napětí v závislosti na čase. Podle rychlosti změny analyzovaných jevů volíme časový rozklad (měřítko) na ose X. Rozdělili jsme si rušivé jevy na slyšitelnou a neslyšitelnou kmitočtovou oblast. Rušivé jevy ve slyšitelné oblasti, které budou mít amplitudu jako síťové složky v předchozích obrázcích, na osciloskopu neuvidíme. Jednalo se o desítky mikrovoltů, kdežto osciloskop je schopen zobrazovat jevy až od amplitudy v milivoltech, tj. nejméně stokrát až tisíckrát větší. Přesto nám bude výborným pomocníkem při analýze vysokofrekvenčních nadakustických jevů.

Pokud bychom se tyto vysokofrekvenční jevy pokusili zobrazovat se šířkou pásma 20kHz nebo pomocí zvukové karty, neuspějeme, protože budou spolehlivě odfiltrovány. Rušivá napětí, vznikající způsoby popsanými na začátku stránky, mají charakter velmi úzkých jehlových impulsů, s krátkou dobou náběhu a s nepravidelnou opakovací frekvencí. Ta může být od desítek kHz do desítek MHz, podle způsobu vzniku rušivých signálů (spínací zdroje, hodiny digitálních přístrojů). Nejsou příliš dobře zobrazitelné ani na tradičním osciloskopu, ale výbornou metodou zobrazení je tzv. persistence, tj. na jedné obrazovce vidíme přes sebe spoustu záznamů, ve které jsou nejsilněji zvýrazněné nejčastěji opakované jevy a postupně slábnou jen občasné jevy. Přesto jsou i zcela nahodilé jevy tímto způsobem zachycené.

Jako příklad persistence ukážeme měření na výstupu stejného zesilovače v časovém rozkladu 1us/d a napěťové citlivosti 10mV/d, nejprve pro měření s analogovou šířkou pásma 20kHz.

Vidíme v podstatě rovnou čáru, tj. v pásmu do 20kHz se prakticky nic zajímavého nevyskytuje, žádně rušení v citlivosti 10mV/d nevidíme. Totéž platí, i když časový rozklad změníme na milisekundy na dílek, ale další rovnou čáru nebudu ukazovat.

Situace se podstatně změní, když šířku pásma měření zvýšíme na 10MHz, při zachování časového rozkladu 1us/d a citlivosti 10mV/d.

Nyní můžeme vidět červenou a žlutou čáru opět prakticky rovnou, bez rušivých jevů, představující nejčastější hodnoty signálu na výstupu zesilovače. K tomu ale přibyly modré a bílé stopy, které ukazují impulsní signály o amplitudě do cca 13mV a šířce ve stovkách nanosekund. To je vysokofrekvenční rušení, které se do zesilovače dostalo jednou z dříve popisovaných cest - z předchozího komponentu, vzduchem nebo po napájení. Úpravou kabeláže, změnou komponent, změnou konstrukce nebo použitím síťových filtrů a praček si pak můžeme ověřit, jakým způsobem se dá těchto rušivých složek zbavit. Změnou časové základny persistence můžeme najít i opakovací kmitočty těchto rušivých impulsů, které jsou ale v čase proměnné a závisí na momentálním stavu sítě, připojených komponentech atd.

Další obrázek ukazuje persistenci v časovém rozkladu 5us/d, kde už můžeme vidět i periodu opakování rušivých jehlových impulsů.

4. Závěr

Měření s úzkou šířkou pásma a spektrální analýza je výborná metoda pro hledání rušivých složek ve slyšitelném pásmu. Pokud zbytečně rozšíříme analogovou šířku pásma měření, zvýrazní se vliv vysokofrekvenčního šumu a rozlišení spektrální analýzy se sníží na nepoužitelné.

Pro hledání a analýzu rušení v nadakustickém pásmu, VF rušení, se výborně hodí metoda persistence v časové oblasti, která zachycuje jevy přes sebe a je schopná zachytit i náhodně nebo nepravidelně se opakující jevy. Lze ji doplnit vysokofrekvenční spektrální analýzou, která ale nedává tak názorný obrázek o charakteru rušení.

Pavel Macura, 10.6.2017