Как строятся графики уровня напряжения, тока и мощности от величины сопротивления нагрузки

При тестировании в Reference Audio Analyzer производится запись тестовых участков с разной амплитудой по убыванию.




Тестовый участок файла состоит из череды синусов с убыванием по амплитуде (0, -1, -2, -3, -4, -5, -6, -9, -12, -15, -18, -21, -25, -30, -40, -50, -60, -70, -80 и -90 dBFS).


В отчетах усилителей уже все амплитуды пересчитаны в напряжение (dBV) и мощность (dBm). По значениям в dBV видно те же интервалы шага в дБ.

Мощностные параметры усилителя строятся на основании характеров спектров.


В отчетах для ЦАП шаг амплитуд указан напрямую. Сперва амплитуда уменьшается с шагом в 1 дБ, потом с шагом 3 дБ и далее по нарастающей до шага в 10 дБ.

Наиболее привычно уменьшение амплитуды выглядит так:



Основной сигнал уменьшается, а уровень шумовой полки остается на месте.

В таком представлении тяжелее увидеть соотношение гармоник с основным тоном. Порой может возникать иллюзия, что искажений нет, но на деле амплитуда сигнала уже настолько мала, что все искажения просто потонули в шумовой полке.

Соответственно вместо понижения основной гармоники, нужен альтернативный вид, где было бы видно соотношение амплитуд основной гармоники к кратным гармоникам.

Для этого каждый уровень нормируется к 0 дБ и сдвигается вверх (вместе с шумовой полкой) – т.е. спектр с уменьшением основной амплитуды приподнимается вверх.



Значение допустимого напряжения выбирается в желтой зоне, которая дает разброс амплитуды в 6 дБ (в данном примере). В некоторых случаях строится несколько графиков, разделяя на «чистый – начало зеленого», «оптимальный – середина оранжевого» и «уровень перегрузки – верхняя граница оранжевого». Но так или иначе, выбор уровня является субъективным и погрешность может быть более 6~12 дБ.

При составлении графика нет цели перувеличить или преуменьшить параметры усилителя, как и нет 100% гарантии, что критерий оптимального уровня остается неизменным. Может быть так, что спустя год визуальное восприятие "неблагоприятного" спектра станет строже или наоборот с большим допуском. Отчасти это компнесируется разделением на чистый/оптимальный/перегруженный, но если у кого-то есть свои критерии, то нет никаких проблем для себя вывести альтернативный график. И например на форуме представить свой вариант. Подробные спектры дают такую возможность и в этом уникальность отчетов RAA, т.к. другие комплексы такой возможности не дают.

Альтернативный вид, применяющийся в отчетах:

Красный спектр

Если искажения не убывают и образуют визуально горизонтальную полку – то это жесткий неблагоприятный спектр – зона перегрузки усилителя. На интерактивных картинках это выделено красным (от 8,3 до 2,3 dBV). С уменьшением амплитуды гармоники высших порядков начинают убывать и касательная перестает быть горизонтальной.

Оранжевый спектр

Оранжевым показана зона, в которой неоднозначный вариант, считать это благоприятным спектром или наоборот жестким (от -0,7 до -6,7 dBV). Здесь касательная находится под углом, но нельзя сказать, что в спектре нет гармоник высоких порядков.

Зеленый спектр

Спектр представляет собой быстро убывающие гармоники под касательной с «большим» углом что свидетельствует о благоприятном спектре (от -9.7 до -31,7 dBV).

Голубой спектр

При дальнейшем снижении амплитуд шумовая полка уже слишком высока, что бы что-то разглядеть.

При фиксации значения напряжения на спектрах под разными нагрузками получается график зависимости напряжения от нагрузки.



Так как шаг построения с уменьшением амплитуды увеличивается, то подробность сетки не идеальна. Зеленым показана сетка возможных значений от максимального уровня при записи сигнала.

При выборе "оптимального уровня"" идет подстройка под каждую нагрузку и шаг для сетки находится в районе 1 дБ. Таким образом погрешность определяемого значения составлет примерно 1 дБ.

В этом случае кривая в низкоомной области будет близкой к наклонной прямой – т.к. шаг амплитуд в 1 дБ плюс небольшая субъективная погрешность на определение «жесткости спектра».

Иная ситуация, когда выбор спектров находится в области амплитуд с большим промежуточным шагом, что характерно для "максимальный уровень". В этом случае погрешность в 1 дБ получается в области высокоомной нагрузки, а низкоомной может достигать до 10 дБ.

С уменьшением амплитуды шаг изменения увеличивается и точность данных не идеальна. Зеленым (уровень максимально чистого сигнала) показана неравномерность линии из-за большого шага изменения амплитуды в пределах 10 дБ.

Вопрос, почему бы не проводить тест с небольшим шагом изменения для всего диапазона амплитуд? К сожалению это существенно увеличивает время проведения теста и становится нецелесообразным для относительно быстрого тестирования большого количества продуктов.

После того, как определены амплитуды максимальных напряжений от разной нагрузки, строятся остальные графики.



График выходного тока – зеленые линии, это сетка, на которой должны оказаться координаты. В низкооомной области шаг больше – больше и неравномерность.

На графике тока необходимо найти тот уровень, выше которого появляются нежелательные искажения. И как раз по неравномерной кривой мы определяем этот уровень. В примере пусть будет 30 мА, как раз среднее значение для амплитуд координат в низкоомной области. Однако, какое раздолье для манипуляций для завышения и занижения данных!

Вернемся к графику выходного напряжения. Если бы усилитель не имел ограничений по напряжению, то при 30 мА, то выходное напряжение приняло бы вид голубой линии.

А так выглядел бы график мощности – в области высокоомной нагрузки мощность бы росла.

Но к сожалению напряжение у нас то же ограничено. Это может быть как ограничение схемотехническое, где при дальнейшем добавлении амплитуды растут искажения, как и просто ограничением, где громкость дальше добавить нет возможности – значение регулятора и так максимально. В случае с Mojo – справедлив первый вариант.

Красная линия показывает выходное напряжение при отсутствии ограничения по току. Какая бы нагрузка ни была – на выходе стабильный уровень в 12 dBV.

При таком напряжении график тока выглядел бы так. Т.е. это не тот максимальный ток, выше которого будут искажения, а уровень тока, который будет потребляться при выставленном напряжении и подключенной нагрузкой. Т.к. когда мы видим подобный график из стабильно наклонной прямой – это значит, что запас тока превышает необходимый.

А так будет выглядеть график мощности. Если напряжение не ограничено – то максимальная мощность будет в высокоомной области, а если не ограничен ток – то в низкоомной.

Вернемся к графику напряжения. Ограничения по току и напряжению формируют фиолетовый график – он показывает, что в его пределах будут отсутствовать искажения. В низкоомной области при желании можно выкрутить громкость повыше, до пунктирной красной. Но качество будет оставлять лучшего… В высокоомной области чаше выкручивать уже некуда, т.к. это ограничение регулятора громкости.



График мощности более точно показывает, на какой нагрузки будет максимум – это уже не 100 Ом, а 120 Ом. Но если визуально принять, что максимальный уровень тока на 30 мА, а 35 или 40 – то линия сдвинется и максимум придется уже ближе к 100 Ом.

График тока уже более логичен и строг – есть горизонтальная зона максимального значения тока, и наклонная расчетная.

По сути, в конечном итоге график от эмпирических точек должен приводится к расчетному.

Построение графиков мощности - это довольно субъективный процесс и при точном сравнении мощностных параметров необходимо сравнивать в первую очередь спектры.

Очень часто производители в характеристиках своих продуктов не приводят спектры,а ограничиваются лишь общими данными и выше наглядный пример, насколько сильно будет отличаться результат от подробности проведенных измерений и методики определения максимального уровня.