A tranziens intermoduláció és mérési módszerei A D A M S CLAUS, F H W D R . PÓCZA A T T I L A , K K V M F S O M L A I TAMÁS, K K V M F
ÖSSZEFOGLALÁS A nagy hanghűségű hangfrekvenciás átviteli berendezések vizsgálati módszerei az utóbbi években az erősítők valódi, dinamikus üzemét jobban kifejező, ún. tranziens intermoduláció (TIM) meghatározásá v a l bővültek. A cikk a T I M létrejöttének kérdéseivel, meghatározá sának méréstechnikai módszereivel és ezek összehasonlításával fog lalkozik.
Bevezetés A hangfrekvenciás erősítők t o r z í t á s á t jelenleg a ha zai s z a b v á n y o k n a k megfelelően a harmonikus és az intermodulációs torzítási tényezővel jellemzik [ 1 ] . Ezen adatok az erősítők átvitelének nemlinearitására jellemzők. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy zenei je lek nagy hanghűségű átvitele során hallható k ü l ö n b ségek vannak olyan erősítők k ö z ö t t is, melyek emlí t e t t torzítási tényezői e x t r é m kis értékűek, s közel azonosak. E jelenség egyik o k á n a k felfedése, a dina mikus, i l l . tranziens intermodulációs torzítási mecha nizmus ( D I M , i l l . T I M ) m a g y a r á z a t a M . Otala nevé hez fűződik [ 2 ] . A sok frekvenciás, dinamikus igény bevétel során — s a legtöbb zenei anyag ilyennek te k i n t h e t ő — erősítőkben, elsősorban teljesítmény erősítőkben gyakran fellép tranziens intermodulációs torzítás. A tranziens intermoduláció vizsgálatához k i i n d u lásként v e g y ü n k egy h a g y o m á n y o s n a k m o n d h a t ó ú n . „ m ű v e l e t i erősítős" szemlélettel tervezett hangfrek venciás végerősítő fokozatot. A tervezői elgondolás az, hogy a nagy n y í l t h u r k ú erősítéssel rendelkező erősí t ő t n a g y m é r t é k b e n visszacsatolva az eredő nemlineá ris torzítás a hurokerősítés a r á n y á b a n csökken. Ez a megállapítás azonban csak adott feltételek teljesü lése esetén igaz, p l . a vezérlő jel gyors a m p l i t ú d ó v á l t o z á s o k a t nem tartalmazhat. A stabil m ű k ö d é s t biztosító h a g y o m á n y o s k o m penzálás okozza ebből a szempontból a legnagyobb p r o b l é m á t . A szokásos sávszűkítő megoldásoknál az átvitel első t ö r é s p o n t j á t okozó pólust — p l . a Miller k a p a c i t á s növelésével — a stabil m ű k ö d é s t biztosító alacsonyabb frekvenciákra tolják. Nagy hurokerősí tésnél az erősítő stabil üzeméhez szükséges nyílt h u r k ú átvitel domináns pólus frekvenciája a hang frekvenciás sávba adódik, és ez maga u t á n vonja a maximális jelváltozási sebesség (Slew-Rate, SR) n a g y m é r t é k ű csökkenését. A legtöbb zenei jel tartalmaz ugrásszerű a m p l i t ú d ó változásokat. Ha egy „ t r a n z i e n s " jel érkezik az erőB e é r k e z e t t : 1985. I I I . 20.
360
(#)
PROF. CLAUS ADAMS Egyetemi tanulmányait az Aacheni Műszaki Egyetemen 1966-ban fe jezte be, híradástechnika szakon. Első tudományos tevékenységét a fiziológiai akusztika területén végez te. Később tengeri infor mációs rendszerek fej lesztésében vett részt, víz alatti akusztikai kérdé sekkel foglalkozott. 1975-iől a Wilhelms-
haveni Műszaki Szak fő iskola professzora (Fachhochschule Wilhelmshaven). A félvezető kapcso lástechnika, híradástech nika és nagyfrekvenciás technika szaktárgyak ok tatásában vesz részt. Je lenlegi kutatási szakterü lete a tranziens intermo duláció méréstechnikája, és egyéb, speciális impul zustechnikai áramkörök alkalmazása és mérés technikája.
sítő bemenetére, a k o r l á t o z o t t jelemelkedési sebesség m i a t t a kimenetről érkező visszacsatolt jel késik — t e h á t egy ideig a visszacsatolás h a t á s t a l a n — ezért a meghajtó fokozat túlvezérlődik. Az erősítő kimenetén nemcsak a tranziens jel torzul, hiszen a meghajtó fokozat telítésbe vezérlése miatt az erősítő más, ezzel időben egybeeső jelek számára is vezérelhetetlen marad. Más megfogalmazásban ez azt jelenti, hogy a dinamikus meghajtás h a t á s á r a t o v á b b i inter modulációs frekvenciakomponensek is keletkeznek. A dinamikus intermodulációs torzítás mértékének megállapítására k é t mérési módszer terjedt e l ; a k ö vetkezőkben összefoglaljuk és összehasonlítjuk e k é t fajta eljárást.
Összetett négyszög-szinusz jeles vizsgálat A zenei jel „ i m p u l z í v " jellegének megfelelően speciális mérőjelet kapcsolunk az erősítő bemenetére. Ilyen mérőjel az elterjedten h a s z n á l t 3,18 k H z alapfrekven ciájú négyszögjel, melyre 4:1 a m p l i t ú d ó a r á n y b a n 15 kHz-es szinuszjelet szuperponálunk. A mérőjelet az idő- és f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n az 1. á b r a mutatja be, a mérési elrendezés a 2. á b r á n l á t h a t ó . A négy szögjel élének meredekségét az alkalmazott alulát eresztő szűrő csökkenti, melynek határfrekvenciája v á l t o z t a t h a t ó a n 30 k H z , i l l . 100 k H z , oldalmeredek sége 6 d B / o k t . A négyszögjel frekvenciájának meg választását mindenekelőtt az a szempont befolyá solja, hogy harmonikusai se a szinusz jellel, se az á t vitel során keletkezett intermodulációs termékek frekvenciájával ne essenek egybe. A négyszög szinusz jel fenti frekvenciaértékeinél a tranziens inter moduláció miatt keletkező modulációs frekvencia komponensek távolsága k b . 1 k H z . Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1983. 8.
szám
2. táblázat de
öfi— f fa—4íj.
-10-
a
l'l
-»-
Gfi— f f —3fi 2
-to-
2
2fi
-so -
7fi—fa f —2fi
-60
2
3fi
-70
8I1—fa
•ao
fa— h
4fi 8 5!
9fi—fa
h
kHz
5fi
H48-1Q
JOÍ!—f
f2—fl
6ii
u be
3
1 tfl—f
1 3,18 kHz
2
2
0,90 2,28 3,18 4,08 5,46 6,36 7,26 8,64 9,54 10,44 11,82 12,72 13,62 15,00
kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz
15,90 16,80 18,18 19,08 19,98
kHz kHz kHz kHz kHz
u\ • 100,
d„(%) = -
(1)
ahol: U az | / —"7il intermodulációs komponensek amplitúdója, U az / (15 k H z ) szinusz jel a m p l i t ú d ó j a az erősítő k i m e n e t é n . nt
lAAJ
bV^EI
2
115 kHz,,
2
2
Az 1. á b r a szerinti mérőjelet adjuk r á egy jxA 741 típusú műveleti erősítővel felépített 20 dB erősítésű nem-invertáló erősítő kapcsolás bemenetére. A k i meneti jel s p e k t r u m á t a 3. á b r a t ü n t e t i fel (U _ = =5V). Az alapjel és felharmonikusain kívül megjelent U komponensek k é t részből á l l n a k : kip
1. ábra. d
n
mérőjel
p
nt
Gi
függvénygen.
G2
hanggen.
I^pp aiulátereszto cp
spektrum ana • '•zátor
Merendő erősítő
HK8-2 2. ábra. Négyszög-színuszjeles
TIM
mérési
elrendezése
- dinamikus intermodulációra jellemző részből: a négyszögjel felfutó élének meredeksége m i a t t az erősítő frekvenciafüggő nemlinearitása dina mikus intermodulációt hoz létre, — statikus intermodulációból, mely az erősítő szintfüggő nemlinearitásából adódik. A kétfajta összetevő vektorálisan, a pillanatnyi fázis helyzetnek megfelelően összegződik. A dinamikus intermodulációs t e r m é k e k abban az esetben k ü l ö n í t h e t ő k el, ha a mérőjel négyszög össze tevőjét körülbelül ugyanakkora amplitúdójú h á r o m szögjellel helyettesítjük. ( E z é r t alkalmaztunk függ vénygenerátort a mérési elrendezésben.) A mérőjel felfutási meredekségének drasztikus csökkentése eredményeképpen gyakorlatilag csak a statikus inter modulációs t e r m é k e k maradnak a spektrumban. A 4. á b r a az ekkor m é r h e t ő spektrumot mutatja az előbbi jxA 741-el felépített kapcsolás esetén. Ebben a f o r m á b a n a módszer t u l a j d o n k é p p e n megfelel a ha gyományos statikus intermoduláció mérésének. A 15 kHz-es sávba eső egyetlen f —fi intermodulációs komponens igen kicsi, és így igen kicsi a statikus i n termodulációs tényező is, pedig a 3. ábrából l á t h a t ó , hogy dinamikus üzemben jelentős torzításra utaló frekvenciaösszetevők keletkeznek. A mérési eredmé nyek t e h á t igen jól tükrözik, hogy a zenei anyagok e 2
A hangfrekvenciás t a r t o m á n y b a eső, lehetséges kombinációs frekvenciákat az 1. t á b l á z a t b a n foglal t u k össze. A négyszög-szinusz jeles dinamikus intermodulációs torzítás é r t é k e : Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985.
8.
szám
361
szempontból vett sajátosságát jól reprodukáló négy szög-szinusz mérőjellel nyert spektrum mennyivel t ö b b információt ad az erősítő valódi üzemének problémáiról. Pszichoakusztikai vizsgálatok arra utalnak, hogy az emberi fül m á r kb. 0,2%-os dinamikus torzítást is zavarónak érzékel [ 3 ] , ezért nagy hanghűségű átvitel esetében külön figyelmet kell fordítani a dinamikus torzítás mértékére.
Fázisiiivertált fűrcszjeles módszer
tM-3 5. afrra. ,MA 741 müveleli
erősítő
TIM
spektrumképe
A
t-o, de -20-
Ennél a módszernél [4] a vizsgálójel egy 20 kHz-es igen meredek lefutású fűrészfog hullámforma, mely nek fázisa a jel periódusidejéhez képest lényegesen nagyobb periódusidővel invertálva van (5. ábra). A mérési elrendezést a 6. ábra t ü n t e t i fel. I t t a fűrészjel meredek lefutó éle ( / s 3 0 ns) szimulálja a tranziens jelet: a lefutó él meredekségét az L P F 1 v á l t o z t a t h a t ó pólusfrekvenciájú alulát eresztő szűrővel csökkenthetjük. A 7. á b r á n a k megfelelően a bemeneti fűrészjel emelkedő szakaszát az erősítő kimeneti feszültsége alakhűen követi — | t/ (0| — > í g lefutó él hatására a kimeneti feszültség, a tranziens intermodulációt előidéző okok miatt a visszacsatolás mértékének és a fáziskompenzáló hálózat lassító h a t á s á n a k megfele lően ettől eltér | U (t)\ • A vonalkázott terület az ábrá ban az átviteli h i b á t mutatja, melynek h a t á s á r a a kimeneti jel egyenáramú összetevője megnő ( „ 6 " egyenes). Méréstechnikai egyszerűsítés, hogy a fűrész jel fázisát invertálva hasonló egyenáramú összetevő eltolódás keletkezik, csak ellenkező polaritással. A teljes U feszültségeltolódás az L P F 2 aluláteresztő szűrő k i m e n e t é n a fázisinvertálás frekvenciájának megfelelő négyszögjel amplitúdójaként oszcilloszkóp pal egyszerűen m é r h e t ő . A dinamikus torzítás m é r t é k e : p
m
a
x
-30-40-5C-
2
-6C-70.
0
FE8~7 4.
áöra. /iA
741 műveleti
Kimeneti
erősítő
szűrt jel az
IM
spektrumképe
oszcilloszkópon
[HXIF51 5. ábra. Fázisinvertált
fűrészjel
\HL&-7\
időfüggvénye ~. ábra.
Jnvertáll fűrészjel gen
HPF
LPF •- 1
Fűrész alapjef generátor
Fűrészjel
időfüggvénye
Fozisfordító fokozat
Vég fokozat
>
Oszcilloszkóp
LPF-2
1
Analóg kapcsoló
Merendő' erősítő
t
*
1H48-61 6. ábra.
362
Fázisinvertált
fűrészjeles blokksémája
TIM
mérési
20 kHz órajel generátor
512 - e s bináris osztó
[RZFel
módszer S. ábra.
Fázisinvertált
Híradástechnika
fűrészjel XXXVI.
generátor évfolyam
blokksémája 1985.
8.
szám
d
t/n /(%)=-X'
lamosmérnöki oklevelet, 1977-ben egyetemi doktori fokozatot szerzett. Előbb a HIKI fejlesztő mérnöke, majd a Kandó Kálmán Villamosipari Műszaki Főiskola oktatója. Jelen leg főiskolai tanár, fő igazgató-helyettes, az Elektronikai Alkatrésztechnológiai és Üzemszer vezési Intézet igazgatója. Műveli'szakterülete: PLL elmélete és alkalmazástechnológiája, nagy hanghüségű erősítők tervezési kérdései, dinamikus tor zítások. Több szabadalom, főiskolai jegyzet, szakcikk szerzője, ül. társszerzője.
(2)
100
ahol A a fűrészfog jelalak csúcstól csúcsig vett ampli t ú d ó j a az erősítő k i m e n e t é n ; U a s z ű r t kimeneti impulzus amplitúdója. A fázisinvertált 20 kHz-es fűrészjelet szolgáltató mérőjel-generátorral szemben t á m a s z t o t t k ö v e t e l m é nyek : 0
a) A fűrészjel emelkedő szakaszának nagyfokú linearitása. b) A fűrészjel élének igen kis idejű lefutása. c) A fűrészjel periódusának invertálásakor (kb. 40 Hz invertálási frekvencia) az átkapcsolás nagy sebességű legyen. Ilyen mérőjel-generátor készült el a Fachhochschule Wilhelmshaven és a K a n d ó K á l m á n Villamos ipari Műszaki Főiskola Híradásipari I n t é z e t k ö z ö t t i e g y ü t t m ű k ö d é s k e r e t é b e n . A jelgenerátor b l o k k v á z l a t á t a 8. ábra mutatja be. A konstans á r a m ú fűrészfog-alapjelgenerátor frek venciáját és az osztást (osztásarány 512) végző szinkron bináris számlálót a 20 kHz-es órajel-generá tor vezérli. Egy gyors analóg kapcsoló a fázisváltás periódusának megfelelően adja az alap-, ü l . i n v e r t á l t jelet, a szintszabályozást k ö v e t ő e n egy speciális k i vitelű kis kimeneti ellenállású végfokozatra.
Jt
jflMk BSIIli DR.
PÓCZA
(3)
Itt U (t) = A — SRt a lassított kimeneti jel időfüggvé nye, A a fűrészjel emelkedő s z a k a s z á n a k 2
A
időfüggvénye. az erősítő maximális jelváltozási sebessége, a fűrészjel periódusideje.
7. ábrából l á t h a t ó a n : A t' = A~SRt'. T E b b ő l /' =
A SR+
:
(4)
A
Az egyenfeszültség-eltolódás fele:
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 8.
szám
A -f
2
2
(5)
0
4)
sr
t
sR
I +
M
ahol / a fűrészjel frekvenciája. A dinamikus torzítási tényező értéke t e h á t :
W =
SR(l+Íf/SR) °> 10
(6)
Af/SR
r
T
A
U=
d
Az egyenfeszültség-eltolódást az egyenfeszültségű középérték definíciójából kiindulva h a t á r o z h a t j u k meg:
SR
ATTILA
Felhasználva a (4) összefüggést
\ \ . ha
át.
itimSS
A Budapesti Műszaki Egyetemen 1967-ben vil-
f
U£)-UM
jn^j
piA.
d
Összefüggés a fázisinvertált fűrészjeles dinamikus torzítás számításához
L
..
(%)^-100.
(7)
Kis dinamikus torzítás eléréséhez t e h á t az egyik leg fontosabb k r i t é r i u m , hogy az erősítő minél nagyobb jelváltozási sebességű legyen.
A két mérési módszer összehasonlítása A kimeneti teljesítmény függvényében egy adott erő sítőnél a k é t különböző elven alapuló — négyszögszinusz, i l l . i n v e r t á l t fűrészjeles — mérési eljárás so r á n m á s értékű dinamikus torzítási t é n y e z ő m é r h e t ő (dn, i l l . df). A kétféle e r e d m é n y k ö z t i korreláció vizsgálata érdekében különböző felépítésű teljesítményerősítő ket vizsgáltunk m i n d k é t módszerrel. Mindegyik erő sítő harmonikus t o r z í t á s a 0,1%-nál kisebb volt, ezen belül a m á s kapcsolástechnikából a d ó d ó a n a j e l emelkedési sebesség (SR) és a statikus intermoduláció ( I M ) értékei eltérőek voltak. A mérési eredményekből k é t tipikus esetet t ü n t e t fel a 9. á b r a . A z „ A " erősítő „ h a g y o m á n y o s " terve zői szemlélettel készült, melynek tulajdonságai a nagy n y í l t h u r k ú erősítés, a sávszűkítő k o m p e n z á l á s sal k i a l a k í t o t t alacsony, a hangfrekvenciás sávba eső n y í l t h u r k ú domináns pólus frekvencia, a nagy m é r t é k ű negatív visszacsatolás. A „ B " erősítőre jel lemző a sávbővítő kompenzálással elért nagy jel emelkedési sebesség, ö n m a g á b a n visszacsatolt erő sítő fokozatokkal (hidegítetlen emitter ellenállások) nagy n y í l t h u r k ú sávszélesség és nem nagyobb, mint
363
Zajszint i n é g y s ? - s z í r
SOMLAI
2ajszinf (fűrészjel !
TAMÁS
1973-ban szerzett diplo mát a BME Villamos P
3
5
10
!
w
)
20 30 50 70 100
„ A" erősítő
9. ábra. Mérési
_j_ 3
5
10
20 30 5070 100
„B" erősítő
eredmények
—
—
H 48-10 20 dB-es, a teljes á r a m k ö r t átfogó negatív vissza csatolás. M i n d k é t mérési módszernél a mérőjel tranziens élének meredekségét befolyásoló L P F 1 aluláteresztő szűrő pólusfrekvenciáját v á l t o z t a t t u k és a görbéket ennek megfelelően p á r a m é t e r e z t ü k . A 6. á b r á n lát h a t ó H P F felüláteresztő szűrő határfrekvenciája 1 k H z , szerepe a fűrészjel fázisinvertálásakor kelet kező egyenfeszültségű és alacsony frekvenciás k o m ponensek kiszűrése a mérőjelből. Az L P F 2 - t megvaló sító RC aluláteresztő szűrő pólusfrekvenciája 250 H z : feladata a 20 kHz-es fűrészfog jelalak leválasz tása.
A mérési eredményekből levonható következtetések — A négyszög-szinusz módszernél 60 dB dinami kájú s p e k t r u m a n a l i z á t o r esetén a zajszint k b . 0,1% dinamikus torzítási tényezőnél van, m í g a fűrészfogjeles módszerrel d e t e k t á l h a t ó mV-os impulzusamplitúdók e rendszer érzékenységét kb. 0,01%-nál h a t á r o z z á k meg. Ez az előzőhöz
364
mérnöki Karának Hír adástechnikai szakán. Ezután a magyar—NDK államközi munkaerő kooperációs szerződés ke retében három évig dolgo zott a drezdai Robotron Elektronikai Vállalatnál. 1977 óta a Kandó Kál mán Villamosipari Mű szaki Főiskola Híradás ipari Intézetének munka társa, jelenlegi beosztása, adjunktus. Érdeklődési területe: dinamikus tor zítások csökkentésének le hetőségei, zajcsökkentő el járások, digitális jelrög zítés.
—
—
képest minimálisan 20 dB felbontóképesség növekedést jelent. A fűrészjeles mérési módszer a négyszög-szinusz eljárással összehasonlítva átlagosan 30 dB-lel nagyobb torzítási értéket produkál, így ennek a módszernek az érzékenysége összességében t e h á t mintegy 50 dB-lel nagyobb. A kétfajta mérési módszer eredményeinek átla gos korrelációja n é h á n y esetben eltért. Ezeket az eseteket megvizsgálva kiderült, hogy i t t na gyobb statikus intermoduláció is fellépett. Ma g y a r á z a t o t az a t é n y adhat, hogy a négyszög szinusz módszernél a d„ mérési eredmény a sta tikus intermoduláció értékeit is m a g á b a n fog lalja, míg a fűrészjeles mérés eredménye a sta tikus intermodulációra érzéketlen, mint ez a 10. á b r á n bemutatott m a g y a r á z ó vázlatból lát h a t ó . H a az erősítő átviteli karakterisztikája nemlineáris, a kimeneti jelalak tengelyszim metrikus t ü k ö r k é p e a fázisinvetrálást megelő zőnek, így a jel egyenfeszültségű szintváltozása a mérés során nem j ö n létre. A dj mérés előzőekben t á r g y a l t nagyobb érzé kenységének megfelelően a fűrészjeles módszer rel olyan nagysebességű erősítők dinamikus torzításai is k i m u t a t h a t ó k , melyekre a négy szögszinusz eljárás nem alkalmas. A négyszög-szinusz módszer nagyértékű spekt r u m a n a l i z á t o r t alkalmaz, ezzel szemben a fű részfogjeles mérési eljárás t o v á b b i előnye, hogy viszonylag egyszerű műszerezettséggel is el végezhető.
I R O D A L O M [1] Magyar N é p k ö z t á r s a s á g i Országos S z a b v á n y M S Z 1 5 5 9 - 7 4 . 5.32, ill. 5.36. [2] M. Otala: Transient distortion in transistorized audio power amplifiers. I E E E Trans. Audio and Electroacoustics; Sept. 70. pp. 234—239. [3] Petri-Larmi, M. Otala, M. Leinonen: Audiobility of transient intermodulation distortion. Tulsa, Oklahoma. T o be published in the I E E E I G A S S P (1978). [4] S. Takahashi, S. Tanaka: A method of measuring transient intermodulation distortion. J . of A E S , Vol. 27, p. 610, 1979 J u l y / A u g . Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 8.
szám
