Ограничение - это форма искажения формы волны, которая возникает, когда усилитель перегружен и пытается выдать выходное напряжение или ток, превышающие его максимальные возможности. Включение усилителя в режим ограничения может привести к тому, что он будет выдавать выходную мощность, превышающую его номинальную мощность .
В частотной области ограничение приводит к появлению сильных гармоник в высокочастотном диапазоне (так как ограниченный сигнал приближается к прямоугольной волне ). Избыточное взвешивание сигнала на высоких частотах может привести к повреждению твитера с большей вероятностью, чем если бы сигнал не был ограничен.
Как правило, искажение, связанное с ограничением, нежелательно и видно на осциллографе, даже если его не слышно. [1]
Обзор [ править ]
Когда усилитель подталкивается к созданию сигнала с большей мощностью, чем может произвести его источник питания, он будет усиливать сигнал только до его максимальной мощности, после чего сигнал больше не может быть усилен. Поскольку сигнал просто «отсекает» или «отсекает» при максимальной мощности усилителя, сигнал называется «отсечением». Дополнительный сигнал, который выходит за рамки возможностей усилителя, просто отсекается, в результате чего синусоидальная волна становится искаженной прямоугольной формой волны.
Усилители имеют ограничения по напряжению, току и температуре. Ограничение может произойти из-за ограничений в источнике питания или выходном каскаде. Некоторые усилители способны выдавать пиковую мощность без ограничения на короткие промежутки времени, прежде чем энергия, накопленная в источнике питания, истощится или усилитель не начнет перегреваться.
Звук [ править ]
Многие электрогитары игроки намеренно перегрузить свои усилители (или вставить «фуз окна») , чтобы вызвать отсечение, чтобы получить желаемый звук (см искажения гитары ).
Некоторые аудиофилы считают, что поведение вакуумных ламп с минимальной отрицательной обратной связью или без нее превосходит поведение транзисторов , в которых вакуумные лампы сжимаются более постепенно, чем транзисторы (т. Е. Мягкое ограничение и, в основном, даже гармоники), что приводит к гармоническим искажениям, которые обычно менее нежелательный.
Эффекты [ править ]
В транзисторном усилителе с жестким ограничением коэффициент усиления транзистора будет уменьшаться (приводя к нелинейным искажениям) по мере увеличения выходного тока и уменьшения напряжения на транзисторе, близкого к напряжению насыщения (для биполярных транзисторов ), и, таким образом, «полная мощность» «для целей измерения искажений в усилителях обычно принимается на несколько процентов ниже ограничения.
Поскольку под обрезанным сигналом больше площади, чем под не обрезанным сигналом меньшего размера, усилитель вырабатывает больше мощности, чем его номинальный ( синусоидальный ) выход, когда он ограничивается. Эта дополнительная мощность может повредить громкоговоритель . Это может привести к повреждению источника питания усилителя или просто перегорать предохранитель .
Дополнительная высокочастотная энергия в гармониках, генерируемых усилителем, работающим в режиме ограничения, может повредить высокочастотный динамик в подключенном громкоговорителе из-за перегрева. [2] [3]
Ограничение может происходить внутри системы, поскольку обработка (например, всепроходный фильтр ) может изменить фазовое соотношение между спектральными компонентами сигнала таким образом, чтобы создать чрезмерные пиковые выходы. Чрезмерные пики могут быть ограничены, даже если система может воспроизводить любые простые синусоидальные сигналы того же уровня без ограничения.
Электрогитаристы часто и намеренно перегружают свои гитарные усилители, чтобы вызвать клиппирование и другие искажения , чтобы получить желаемый звук.
Цифровая вырезка [ править ]
При цифровой обработке сигналов ограничение происходит, когда сигнал ограничивается диапазоном выбранного представления. Например, в системе , использующей 16-разрядные подписанные целые числа, 32767 является самым большим положительным значением , которое может быть представлено. Если во время обработки амплитуда сигнала удваивается, значения выборки , например, 32000 должны стать 64000, но вместо этого вызовут целочисленное переполнение и насыщение до максимума, 32767. Ограничение предпочтительнее альтернативы в цифровых системах - переноса - что происходит, если цифровому процессору разрешено переполнение, игнорируя наиболее значимые биты величины, а иногда даже знака значения выборки, что приводит к грубым искажениям сигнала.
Как избежать обрезки [ править ]
Самый простой способ избежать клиппинга - снизить уровень сигнала. В качестве альтернативы система может быть улучшена для поддержки более высокого уровня сигнала без ограничения. Некоторые аудиофилы будут использовать усилители, рассчитанные на выходную мощность в два раза превышающую номинальную. Ограничитель может быть использован для динамического приведения уровней громких частей вниз сигнала (например, бас и малых барабанов ).
Многие разработчики усилителей встроили схемы для предотвращения перегрузки. Простейшие схемы действуют как быстрый ограничитель, который срабатывает примерно на один децибел до точки отсечения. Более сложная схема, называемая «soft-clip», использовалась с 1980-х годов для ограничения сигнала на входном каскаде. Функция мягкого клипа начинает действовать до клиппирования, например, начиная с 10 дБ ниже максимальной выходной мощности. Форма выходного сигнала сохраняет округлую характеристику даже при наличии входного сигнала перегрузки на 10 дБ выше указанного максимального значения. [4] [5]
Восстановление обрезанного сигнала [ править ]
Желательно избегать обрезки, но если запись была обрезана и ее нельзя перезаписать, можно исправить. Цель ремонта - подобрать подходящую замену обрезанной части сигнала.
Сложные жестко ограниченные сигналы не могут быть восстановлены в их исходное состояние, потому что информация, содержащаяся в ограниченных пиках, полностью потеряна. Сигналы с мягким ограничением могут быть восстановлены в исходное состояние в пределах допуска, зависящего от регистра, поскольку никакая часть исходного сигнала не теряется полностью. В этом случае степень потери информации пропорциональна степени сжатия, вызванного ограничением. Слегка обрезанные сигналы с ограниченной полосой пропускания, которые сильно передискретизированы, могут быть исправлены. [6]
Некоторые методы могут частично восстановить ограниченный сигнал. Как только обрезанная часть известна, можно попытаться частичное восстановление. Один из таких методов - интерполяция или экстраполяция известных выборок. Расширенные реализации могут использовать кубические сплайны, чтобы попытаться восстановить непрерывно дифференцируемый сигнал. Хотя эти реконструкции являются лишь приближением к оригиналу, субъективное качество может быть улучшено. Другие методы включают в себя копирование сигнала непосредственно из одного стереоканала в другой, так как может случиться так, что ограничивается только один канал.
Существуют несколько программных решений различных результатов и методы ремонта вырезки: CuteStudio Declip, Sony Sound Forge , IZOTOPE RX3 и RX7, Adobe Audition , Nero AG Wave Editor, Stereo Tool, declipping решения от КЕДР Аудио, [7] и Audacity плагин , таких как Клип Fix.
Причины [ править ]
В аналоговом аудиооборудовании существует несколько причин клиппирования:
- Размах выходного сигнала твердотельного бестрансформаторного усилителя ограничен напряжением источника питания. [а]
- Усилитель может иметь асимметричный размах выходного сигнала [b], и ограничение может начаться раньше на одной половине выходного сигнала.
- В усилителях звука, использующих нерегулируемые линейные источники питания, если конденсатор фильтра недостаточно велик, пульсации напряжения могут вызвать ограничение, которое также содержит некоторые гармоники частоты сети переменного тока. В импульсном источнике питания частота переключения более доминирует в пульсирующем напряжении и за пределами звукового диапазона, в то время как в регулируемом источнике питания пульсационное напряжение отклоняется.
- Вакуумная труба может двигаться только ограниченное число электронов в заданном количестве времени, в зависимости от его размера, температуры и металлов. Результирующее падение усиления с увеличением выходного тока приводит к мягкому ограничению .
- Усиливающие устройства также могут иметь ограничения на свои входы, например чрезмерный базовый ток для биполярного транзистора или чрезмерный ток сетки для вакуумной лампы . Работа вне этих пределов может исказить входной сигнал, если он исходит от источника с достаточно высоким импедансом , или повредить усилительное устройство, требующее схемы ограничения для защиты; см. ниже.
- Усилитель может ограничивать свой выходной ток или входное напряжение по целому ряду причин, как намеренно, так и нет. Предполагается, что схемы преднамеренного ограничения не сработают при нормальной работе, но только тогда, когда сопротивление нагрузки на выходе слишком низкое или уровень входного сигнала исключительно высок. В результате такой формы ограничения может образоваться не плоская вершина формы волны напряжения, а скорее плоская вершина формы волны тока.
- Трансформатор (чаще всего используемый между ступенями и на выходе в ламповом оборудовании) сжимается, когда его ферромагнитный сердечник становится электромагнитно насыщенным .
Обнаружение [ править ]
Ограничение в цепи может быть обнаружено путем сравнения исходного входного сигнала с выходным сигналом с регулировкой применяемого усиления. Например, если схема имеет приложенное усиление 10 дБ, ее можно проверить на ограничение, ослабив выходной сигнал на 10 дБ и сравнив его с входным сигналом. Разница между двумя сигналами может использоваться для включения индикаторов обнаружения ограничения и может использоваться для уменьшения усиления предыдущей схемы для управления ограничением. [8]
См. Также [ править ]
- Машинка для стрижки (электроника)
- Сжатие динамического диапазона
- Ламповый звук
Заметки [ править ]
- ^ Сюда входит большинство интегральных схем и дискретных твердотельных схем. Ограничение относительно напряжения источника питания зависит от конструкции схемы (особенно конфигурации драйвера) и напряжения насыщения (V ce (sat) для биполярных транзисторов или R ds (on) для полевых транзисторов ) и дополнительно уменьшается. если выходной каскад не имеет постоянного выходного напряжения покоя, равного половине напряжения питания. Такнапример, с типичным операционным усилителем Абсолютного максимальное значениядля напряжения питания 36 вольт, а для безопасной эксплуатации расчетное напряжение питания составляет 30 вольт; если бы он подавался как идеально сбалансированные + 15 В и -15 В, то теоретический пиковый выход для идеального операционного усилителя с выходом Rail-to-Rail был бы пиковым 15 В ( среднеквадратичное 10,6 В , размах 30 В), но реальный мировые операционные усилители, такие как 741, вероятно, будут способны выдавать пик только около 10 вольт при нагрузках выше 2 кОм, то есть около 7,1 В RMS).
- ^ Возможно, потому что транзистор смещен, поэтому его коллекторное напряжение не составляет половину напряжения питания (или «сбалансированные» шины питания не сбалансированы идеально). Начальная загрузка или переработка схемы могут облегчить это, когда это вызвано трудностями в управлении выходными каскадами эмиттерного повторителя .
Ссылки [ править ]
- ^ Zottola, Тин (1996). Обслуживание вакуумных ламп, гитар и бас-усилителей . Смелый штраммер. п. 6. ISBN 0-933224-97-4.
- ^ Джим Лесурф. «Обрезка повреждения твитера» . Проверено 5 марта 2018 .
- ^ Чак МакГрегор (2017-08-24). "Почему мы должны заботиться об ограничении мощности усилителя?" . Проверено 5 марта 2018 .
- ^ Дункан, Бен (1996). Усилители мощности звука с высокими характеристиками . Newnes. стр. 79 -80. ISBN 9780080508047.
- ^ Дункан, Бен (2009). «Интерфейс и обработка». В Дугласе Селфе; Бен Дункан; Ян Синклер; Ричард Брайс; Джон Линсли Худ; Эндрю Сингмин; Дон Дэвис; Евгений Патронис; Джон Уоткинсон (ред.). Аудиотехника: все знают . Все знают. 1 . Newnes. п. 278. ISBN 9780080949642.
- ^ Донохо, Дэвид Л .; Филип Б. Старк (июнь 1989 г.). «Принципы неопределенности и восстановление сигнала» . Журнал СИАМ по прикладной математике . Общество промышленной и прикладной математики. 49 (3): 906–931. DOI : 10.1137 / 0149053 . ISSN 0036-1399 .
- ^ "Declip" . CEDAR Audio . Проверено 13 сентября 2018 .
- ^ US 5430409 , «Индикатор искажения ограничения усилителя с регулируемой зависимостью от источника питания»
