Усилитель что мешает звучать правильно
Записки аудиофила. Часть 2
Продолжение темы о разнице в звучании усилителей со схожими параметрами. На этот раз попытка препарировать искажения и посмотреть, как они выглядят изнутри. В общем, смотрим на графики измерений и анализируем.
В прошлый раз я постарался показать, что цифры, которые нам втюхивают производители усилителей, далеко не всегда говорят об их реальных способностях. Дорогие модели и поточные поделки дяди Сяо по три юаня могут иметь одинаковые коэффициенты нелинейных искажений, одинаковые частотные диапазоны и одинаковые мощностные показатели. Больше того, хорошая в деле техника формально может иметь даже худшие показатели. Ключевое слово – формально…
Собственно, что такое искажения? Все просто – это отличия выходного сигнала от входного по форме. Это означает, что в нем появляются «лишние» частотные составляющие, которых до этого не было. Но поскольку звуковой сигнал занимает большой частотный диапазон, увидеть их на АЧХ просто нереально. Можно сказать, они «замешаны» где-то среди полезного сигнала. Собственно, поэтому мы и воспринимаем их как некоторое «окрашивание» звучания, хотя формально (ну вот, опять это слово) сама АЧХ остается в пределах разумного.
Идем дальше. Наверное, все уже давно понимают, что искажения искажениям рознь. Все дело в особенностях нашего слуха. Звучание может иметь «мягкий», «теплый», «бархатный» характер или, напротив, может быть «жестким» и «холодным». И это, кстати, не всегда плохо. Как бы это парадоксально ни звучало, но иногда искажения даже помогают нам лучше воспринимать музыкальную информацию. Правда, это тема для чуть более серьезного разговора, не все сразу.
Пока же вернемся к форме сигнала и постараемся понять, почему одни ее изменения делают звук «жестче», а другие «теплее». Вроде бы выяснили, что по АЧХ музыкального сигнала мы не можем ничего выяснить. Но мы можем подать на усилитель не музыку, а сигнал только с одной частотой. АЧХ такого сигнала будет представлять собой одну единственную «палку» на фоне шумов. Если что, такие графики правильнее называть спектрограммами, а «палки» – это гармоники. Это так, к слову, кто не знал.
А теперь смотрим, что у нас получилось на выходе усилителя. Бинго! Все «лишние» составляющие как на ладони! На них обязательно будет присутствовать основная гармоника, а это, собственно, и есть полезный сигнал, и кратные гармоники (те самые «лишние») – с двойной, тройной и т.д. частотами:
Если «лишних», как на этом графике, всего одна-две, то это не страшно. Более того, их уровень может достигать даже единиц процента, звучание все равно останется приятным и комфортным. Такой характер искажений, кстати, обычно имеют ламповые усилители, а заветная вторая гармоника – как раз то, что часто боготворят всякого рода «астральные аудиофилы», да и просто любители теплого лампового звука. На самом деле, как видите, никакого астрала, простая физика и физиология слухового восприятия.
Если же получился график с целым частоколом гармоник, то такое звучание воспринимается как более «холодное»:
И это тоже не всегда плохо, многим такой саунд очень даже по вкусу. Но с этим нужно поосторожней, грань между «прохладностью» звучания и неприятной «жесткостью» довольно зыбкая – звучание теряет комфортность при гораздо меньшем уровне искажений.
Спектрограммы, характер искажений – все это, конечно, хорошо, но нам ведь нужно музыку слушать, а это не одна частота, целый частотный спектр разом. Помните, в прошлый раз я упоминал, что любой усилитель – это результат схемотехнических компромиссов, и его работа сильно зависит от частоты подаваемого на него сигнала?
Так вот, в реальном усилителе, когда мы подаем не одну частоту, а сразу несколько, разные частотные составляющие могут взаимодействовать между собой, и конечный результат может оказаться весьма неожиданным. Такие искажения, вызванные многочастотным сигналом, называются интермодуляционными («интер» – между, «мода» – частотная составляющая в сложных колебательных процессах).
Вот почему я обычно расширяю измерения еще несколькими спектрограммами с разными комбинациями частот. И вот ведь какое получается дело – в зависимости от того, в какой области больше интермодуляционных искажений, а в какой меньше, результаты могут различаться просто разительно.
Основываясь на собственных наблюдениях, могу сделать вот какой вывод. Не секрет, что в музыке основная информация содержится в средних частотах. И если комбинации разных частот в этом диапазоне дают низкие интермодуляционные искажения, то звучание воспринимается как «правильное» и «натуральное». При этом усилитель даже может давать повышенные искажения на верхних частотах, но это будет восприниматься лишь как некоторое «приукрашивание» ВЧ диапазона, и субъективно может оказаться даже приятным для слуха. Типичный пример – протестированный ранее усилитель Zapco, спектрограммы чуть выше – как раз его.
А вот если интермодуляционные искажения высоки в НЧ или СЧ диапазоне, то это уже хуже, такой звук будет восприниматься как менее естественный и, в зависимости от характера искажений, имеющий более выраженную «окраску».
Так что, как видите, мало просто измерить, получить какие-то цифры и сравнить технику лишь по формальным признакам. Важно понять, из чего все эти цифры складываются. И если вы еще не уснули к этому моменту, и даже что-то из написанного восприняли, то теперь графики дадут вам чуть больше полезной информации.
Но при всем этом тему искажений считаю все еще не раскрытой, и кое-что, пожалуй, оставлю на следующий раз. Как обычно, самое интересное.
Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
Что дают радиолампы?
реклама
Если отвечать на вопрос прямо, то ничего хорошего. Радиолампы спроектированы для работы на относительно высоких напряжениях, обладают большим внутренним сопротивлением и довольно низким коэффициентом усиления. Гм, откуда же взялся этот ренессанс, почему современная теория усилителей так тяготеет к этому очевидному выкидышу прошлого, радиолампам? Для начала, попробуем разобраться, чем отличаются радиолампы и транзисторы. Микросхемы состоят из тех же транзисторов, поэтому сравнение радиоламп с ними довольно беспредметно.
К сожалению, у меня отсутствуют PSPICE модели советских радиоламп. Точнее, действует принцип «Неуловимого Джо», они не нужны. Но если захотите использовать, можно воспользоваться библиотеками, любезно представленными сайтом next-tube. Однако надо бы как-нибудь прокомментировать рассуждения. По свойствам, ближайшим аналогом радиоламп в триодном исполнении являются полевые транзисторы со встроенным каналом, JFET. Давайте возьмем BF245A, благо он есть в библиотеке PSPICE.
Вначале посмотрим зависимость тока стока от напряжения на затворе. Схема включения обычная:
Если сильно утрировать, то можно сказать, что изменение управляющего напряжения приводит к линейному изменению тока стока. Давайте попробуем собрать усилительный каскад.
При этом на стоке будет следующая картинка:
реклама
Во-первых, у выходного напряжения размах 3.2 вольта, что говорит о коэффициенте усиления 32 (управляющее напряжение 0.1 вольта). Во-вторых, особо сильных искажений не заметно, скорее их просто не видно. Посмотрим спектр:
Отчетливо видна вторая гармоника, что говорит об асимметрии, и присутствие небольшой третьей гармоники.
Сравним с транзистором. Для примера возьмем нечто обычное, например 2N3904 (npn, 60 вольт, hFE=80). Анализировать зависимость тока коллектора от напряжения на базе как-то глупо, налицо будет явный релейный эффект. Впрочем:
Обратите внимание, шкала тока логарифмическая!
Теперь подадим синусоидальный сигнал на вход и посмотрим, что станет на выходе. У транзистора большее усиление, чем было в схеме на JFET, поэтому я несколько уменьшу величину управляющего напряжения для сохранения прежнего выходного сигнала.
На схеме отражены три варианта подачи сигнала:
Входное сопротивление R3 для второй схемы подбиралось такой величины, чтобы на нём падало такое же переменное напряжение, что и на базе транзистора. Таким образом, номинал резистора R3 равен входному сопротивлению усилительного каскада. Теперь взглянем на форму сигнала:
Для начала, вычислим коэффициент усиления транзистора в этом включении. Девиация выходного напряжения составила 7.822 вольта при управляющем 8 мВ, или 7.822/0.008 = 977. Интересно. Обратите внимание, даже для столь низкой частоты (всего лишь 1 кГц) существует задержка распространения сигнала вход-выход. Особенно этот неприятный момент заметен для случая источника сигнала с очень большим внутренним сопротивлением (черный график).
Перейдем к анализу спектра:
реклама
Интересно, даже очень! Увеличение внутреннего сопротивления источника сигнала уменьшает уровень второй гармоники, на третьей сказывается меньше, но что творится с гармониками большего номера – их уровень возрастает! И, что особо неприятно, величина гармоник уже мало зависит от их номера, спектр искажений огромен. Но хотя в PSPICE и используются довольно точные модели, не стоит идеализировать результаты симуляции.
Предварительный вывод – радиолампы, по сравнению с транзисторами, обладают:
1. Низким коэффициентом усиления.
2. Очень большим входным сопротивлением.
3. Существенным внутренним сопротивлением.
4. Отсутствует напряжение смещения управляющего вывода.
5. Невозможна структура с противоположной проводимостью.
Про существенные размеры, старение эмиссии, необходимость накала и времени на выход в рабочий режим пока забудем – это явные недостатки, но не столь критичные.
реклама
Извините, увлекся. Однако же, пройдемся по пунктам.
Низкий коэффициент усиления – крутизна сетки (в модели JFET «затвора») довольно низка и только за счет повышенного нагрузочного выходного сопротивления можно добиться хорошего (или сносного) коэффициента усиления.
Очень большое входное сопротивление – бесспорное достоинство, в комментариях не нуждается. Одно «но» – динамическая емкость в триодном включении портит жизнь и полное входное сопротивление на высших частотах звукового диапазона становится уже далеко не бесконечным.
Существенное внутреннее сопротивление – увы, особенности технологии. На каждую радиолампу декларируется номинальное рабочее напряжение, обычно в диапазоне 100 – 250 вольт, и сохранить ее нормальное функционирование на значительно меньших напряжениях не получится именно из-за внутреннего сопротивления.
реклама
Невозможна структура с противоположной проводимостью – проблема вакуумных элементов. Есть анод и есть катод, последний требует нагрева. Сделать противоположную структуру нельзя. Увы. Впрочем, у их близких «сородичей» JFET существуют оба варианта, с каналом n и p.
Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) (страница 3)
Следующим звеном, после входного каскада, следует линейный усилитель. Качество его работы оказывает влияние на функционирование всего устройства и при неудачном схемном решении можно всё «легко и непринужденно» испортить. Эта часть усилителя охватывается общей обратной связью и искажения, возникающие в нём, компенсируются. Вот только не стоит возлагать на последнее повышенные ожидания – единожды возникнув, искажения уже никогда не исчезнут. Существует множество схемных решений подобного узла, поэтому вынести какую-то одну общую рекомендацию затруднительно. Просто перейдем к третьей части.
Выходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Это означает работу с большими напряжениями и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составляющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам. Кроме того, геометрические размеры усилителя и тепловая мощность, рассеиваемая на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. Всё это накладывает весьма жесткие требования к возможным схемным решениям, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса АВ.
Идея работы каскада заключается в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питания в соответствующие моменты времени. Это хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшается, то всё более значимым становится момент перехода через нуль – именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. Для уменьшения вносимых искажений, в усилителе устанавливается некоторый минимальный ток покоя выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) для небольшого уровня сигнала.
реклама
То есть, фактически вводится небольшой режим А, отсюда и появилась эта буква в названии класса AB. Увы, делать очень уж большой ток покоя нельзя, страдает эффективность усилителя – фактически, эта мощность будет тратиться всегда, есть ли сигнал или нет. При увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток покоя исчерпывается, и могут последовать коммутационные искажения.
Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:
Подробнее можно ознакомиться с моделью и выполнить анализ можно над файлом проекта.
Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:
Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт (слева) и 10 вольт (справа):
При низком уровне сигнала класс AB работает в режиме A и потому не вносит каких-либо видимых искажений. У класса ЭА с этим несколько сложнее, потенциально присутствуют четные гармоники из-за очевидной несимметрии тока. Но это только «потенциально», избыточный ток протекает через транзистор противоположного канала и не попадает в нагрузку. Проще говоря, через источники питания течет ток с относительно небольшим уровнем гармоник, что не приводит к негативным последствиям.
При увеличении уровня сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а ЭА продолжает пытаться им управлять. Взглянем подробнее на место переключения:
реклама
Фактически, в классе ЭА оба плеча одновременно формируют выходное напряжение. Теперь обратимся к спектру гармоник. В данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 Гц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напряжение 10 вольт.
Для класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока покоя, а у ЭА лучшие результаты достигаются при средней степени агрессивности управления током. Скорее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управления током транзистора – на момент перехода транзистора из рабочего состояния в нерабочее его ток меняется довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устраняется компенсацией управления током в противоположном плече.
В схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах применяется либо класс А, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказывается классом ЭА с низким или отсутствующим током управления (фиолетовый и серый график). Если сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.
Выходное сопротивление усилителя
Обычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной связи. Как-то сложилось, что данное решение считается правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Но действительно ли это хорошо? Рассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам – потери и искажения в проводах, соединяющих усилитель и динамики, а также искажения в самих динамических головках при перемещении диффузора.
Довольно давно обнаружен эффект изменения сопротивления медного проводника при воздействии током разной силы и частоты, так называемый «полупроводниковый эффект». Величина изменения незначительна и никак не проявляет себя в обычных областях применения – передача электроэнергии, блоки питания, но приводит к искажениям при использовании его для передачи сильноточного звукового сигнала от усилителя к акустическим системам. Для обхода этой проблемы выпускают проводники из меди со специальной технологией изготовления, «бескислородная медь». Кроме того, соединители и разъемы тоже обладают свойством вносить искажения в передаваемый сигнал, ведь их сопротивление сочленения непостоянно во времени, хоть и мало по величине.
В тесте будут участвовать идеальные усилители с тремя типами выходного сопротивления:
В симуляции будет использована следующая модель:
Для эмуляции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Шоттки. Можно было создать искажения линейной нагрузки любым другим способом, для теста это не существенно. В данной симуляции измеряются токи через нагрузки, а не напряжения. Это вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так для электростатических излучающих элементов).
Хотелось бы остановиться на цветной идентификации графиков:
Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:
реклама
Вы видите здесь зеленый график? Я – нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Это означает, что увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.
Теперь перейдем к другой проблеме – изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. В тесте будут участвовать всё те же три усилителя, а эмуляцию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6. Схема выглядит следующим образом:
Соображения по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуется. Посмотрим на спектр:
реклама
Налицо явные интермодуляционные искажения. Как и в предыдущем тесте, по мере увеличения выходного сопротивления усилителя уменьшаются негативные последствия изменения свойств дросселя (то есть индуктивности катушки динамика).
Существует еще один нюанс, связанный с выходным сопротивлением усилителя – импеданс акустической системы непостоянен в рабочей полосе частот. В области низких частот вносятся резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, для средних частот – разделительный фильтр оказывает влияние в областях раздела рабочих полос динамиков.
Кроме того, зачастую акустические системы проектируются под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботится о сохранении постоянного импеданса акустической системы. Если одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный постоянный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. Если такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучания станет другим.
Впрочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные явления в низкочастотной части компенсировать нельзя. Поправка – можно, но крайне неприятно – придется ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.
реклама
Естественно, в серийных конструкциях никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречается крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучания басов – возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличится время призвука. Этот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием – помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и вязкостью в окна с обратной стороны динамика.
От себя хочу добавить, что такой прием не слишком хорош, и у него есть возможные неприятные последствия, поэтому лучше менять тип выходного сопротивления усилителя в зависимости от частоты сигнала, чем «издеваться» над динамическими головками. В этом вопросе важно то, что переход на усилитель с токовым выходом меняет характер звучания и кому-то это может нравиться или не нравиться, но у него нет ничего общего с устранением искажений в акустической системе, озвученных в последних двух тестах.
Итак, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? Увы, прямо следует из технологии. В усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает общая обратная связь. Чем она мощнее, чем больший запас петлевого усиления, тем лучше компенсируются все искажения в усилителе… в том числе и выходное сопротивление. В усилителях на радиолампах глубина обратной связи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, являются скорее источниками тока, чем сопротивлениями).
Как следствие, ламповые усилители обладают отнюдь не низким выходным сопротивлением, а потому – смотрите раздел – в некоторой степени компенсируют негативные элементы в акустической системе и соединении с усилителем. Что мешает такое же реализовать в «транзисторном» исполнении.
Выводы
реклама
Знаете, эта история с развитием схемотехники очень напоминает эволюцию советского общественного транспорта. В «застойные» времена автобусы благодаря слабым моторам медленнее набирали скорость, на дорогу у меня уходило 25-40 минут. В постперестроечный период парк автомобилей сменился, повысилась мощность мотора и эффективность тормозной системы. Как следствие, на дорогу стало уходить от получаса до нескольких часов, но речь не о том. Увеличение мощности двигателя привело к тому, что отчаянно ощущаешь себя «дровами».
Понимание того, что водители этого вида транспорта являются профессионалами своего дела, плохо скрашивают ощущения старт-стопного режима в пробке. Быстрый разгон и малое время торможения – отличный способ двигаться в потоке, вот только о дровах забыли? Более мощная динамика автобуса позволяет быстрее доставить до места, но кому нужна экономия пяти процентов времени такой ценой?
Довольно показательно отношение разных фирм к схемотехнике усилителей – японские модели обладают лучшими техническими характеристиками, чем европейские разработки, но звучат хуже. Данное мнение было высказано авторитетным источником, но довольно давно, поэтому ссылки привести не могу. Впрочем, я с ним согласен, мои аргументы изложены в этой статье. Радиолампы – атавизм, которому пора уходить. Просто надо использовать нормальные схемные решения, учитывать всё нюансы и проблемы, а не гнаться за красивыми цифрами. Согласны вы с этим или нет, выбор за вами. Пожалуйста, сделайте его осмысленно.
Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1) (страница 2)
До этого рассматривались случаи с одним источником сигнала синусоидальной формы, но в реальном звуковом ряде масса гармоник с далеко не синусоидальной формой. Если в усилителе присутствуют цепи с нелинейной проводимостью (а они гарантированно есть, откуда же берутся искажения?), и звуковой сигнал содержит несколько частот, то в результате получается множество гармоник с вариациями оригинальных частот, умноженными на коэффициенты 2,3,4.
Для этой симуляции параметры сигнала несколько модифицированы – в исследуемый сигнал добавлена вторая компонента с другой частотой, да и сами значения изменились, 100 Гц и 2 КГц. Сама схема осталась прежней, той же, что использовалась для проверки дефекта «ступеньки».
реклама
Сравните эту симуляцию с ранее рассмотренной «ступенькой». По картинке наглядно видно, что интермодуляционные искажения смотрятся хуже всего, бывшего ранее – спектр огромен, присутствуют самые разнообразные вариации множителей частот F1 и F2.
Коммутационные искажения
Ранее рассматривались довольно абстрактные типы искажений, свойственные различным электронным компонентам. Но каждому типу усилительных элементов присущи какие-то свои специфические моменты, которые могут оказать негативное влияние на качество работы. Для биполярных транзисторов одним из таких свойств является низкое быстродействие, проявляющееся в большом времени выключения.
Специфической особенностью работы транзисторов является накопление заряда неосновных носителей в активном состоянии. Для выключения транзистора (или просто резкого снижения тока) необходимо вывести этот заряд, что требует наличие элементов отвода тока из базы и, вообще говоря, занимает весьма приличный интервал времени. При конструировании усилителей стараются избежать перевода транзисторов в отключенное состояние, но в выходном каскаде часто об этом забывают. Причем, этой «забывчивостью» страдают и высококачественные усилители с достойной репутацией.
реклама
На первый взгляд, схема ничем особенным не выделяется, разве что отсутствует смещение между базами Q1 и Q2, но присмотримся внимательнее – резисторы R10 и R11 запирают выходные транзисторы в те моменты, когда они должны быть выключены. Выходной каскад класса В, то есть проводит либо верхний (Q3), либо нижний (Q4) транзистор, в зависимости от полярности выходного напряжения. В модели номиналы резисторов R10, R11 выбраны заведомо большей величины, что затрудняет рассасывание заряда и транзистор выключается продолжительное время. Ранее в симуляциях было рассмотрено напряжение в контрольных точках, но в данном тесте гораздо больший интерес несет ток выходных транзисторов.
Возьмем центральный участок. В момент перехода напряжения через ноль ток верхнего транзистора (красный график) уменьшается, но недостаточно быстро – нижний транзистор начинает открываться раньше, чем успел рассосаться заряд из верхнего транзистора. Как следствие – существует небольшое время, когда оба транзистора находятся в проводящем состоянии. Вообще-то, для усилителей это состояние считается нормальным, вспомните о классе А, но не в данном случае. Закрывание транзистора идет не плавно, а резко и бесконтрольно (ограничено временем и характером рассасывания заряда), что вызывает необходимость адекватной реакции схемы управления для формирования компенсирующего тока.
Это тоже было бы нормально, но такой режим работы (высокая частота) возникает на очень небольшой интервал времени. Увы, общее усиление всего усилителя обязано уменьшаться с ростом частоты, иначе пострадает устойчивость или все свалится в самовозбуждение. Поэтому точной компенсацией мешающего тока рассасывания одного транзистора нельзя полностью скомпенсировать другим плечом и в этот момент появится «щелчок». Вот так и возникают коммутационные помехи.
Самовозбуждение
Высококачественный усилитель должен хорошо воспроизводить как низкие, так и высокие частоты звукового диапазона, что требует большого быстродействия и запаса усиления в рабочей полосе, которая простирается дальше слышимого диапазона частот 20-20000 Гц. Если с низкими частотами обычно проблем не бывает, то расширение полосы в высокочастотную область вызывает трудности.
Любой активный (как и реактивный) элемент вызывает задержку распространения сигнала. Как следствие, при повышении частоты начинает накапливаться фазовый сдвиг и как только достигается 180 градусов, то следует самовозбуждение и усилитель превращается в генератор. Для борьбы с этим дефектом в любом усилителе ограничивают коэффициент усиления на высоких частотах. Идея заключается в том, что генерация возникнет только в том случае, если при критическом сдвиге фазы общее усиление цепи будет больше единицы, то есть цепь получает усиление на этой частоте.
При коэффициенте передачи меньше единицы, цепь ослабляет сигнал и самовозбуждение невозможно. Понятно, что разработчик схемы не допустит банального возбуждения усилителя, схема будет спроектирована должным образом. Но… кроме «тупой» генерации существует неустойчивое возбуждение. Повторюсь, критерий устойчивости состоит в обеспечении низкого коэффициента передачи на критически высоких частотах, но само понятие «коэффициент передачи» величина непостоянная, на него оказывает влияние множество факторов и он может несколько меняться в зависимости от характера и уровня сигнала. Усилитель, в основном, состоит из транзисторов, а для них одной из важнейших характеристик выступает коэффициент передачи тока hFE:
Если тестировать собранное устройство только на статическом сигнале, да еще и без специального учета разброса и деградации параметров компонентов, то можно перейти грань стабильности и усилитель будет самовозбуждаться. Причем, особо неприятно то, что генерация будет небольшое время и только при некоторых стечениях обстоятельств. Чаще всего – при резком изменении уровня или характера сигнала, особенно при наличии высокочастотных составляющих. Сами всплески высокочастотной генерации не слышны, но их наличие вызывает изменение режима работы усилительных каскадов, что приводит к нелинейным искажениям.
И особо печально, что общая обратная связь не может устранить деструктивные последствия самовозбуждения, ведь ООС уже не работает на таких частотах. Увы, дефект возникает достаточно часто и о нём надо помнить.
Соединение с нагрузкой
Усилитель сам по себе звуковые волны излучать не может, для этого используются динамические головки или наушники. О самих динамиках речь пойдет позже, пока же поговорим о том, что соединяет их с усилителем – о проводах.
реклама
Хотя, я немного поторопился, кроме проводов существует еще несколько вещей, которые могут испортить звучание – пайка и разъемное соединение.
Пайка – соединение медных проводников с помощью мягкого припоя. С одной стороны, это самый надежный способ соединения проводников, с другой – переход медь-припой обладает некоторым эффектом полупроводника, сопротивление соединения может немного (совсем чуть-чуть) меняться от направления и силы тока, частоты сигнала. Для уменьшения такого дефекта надо сматывать проводники один на другой, и уж затем пропитывать припоем. Чем лучше смотаны проводники до пайки, тем меньший вред нанесет припой.
Разъем, как средство соединения, хуже пайки. Но в ряде случаев без него не обойтись, особенно при соединении автономных конструкций или необходимости переключения цепей. Собственно, какие-либо «особые» рекомендации дать трудно, качество соединения зависит не только от формы и покрытия контактирующих поверхностей, испортить хорошую вещь можно чем угодно. Одно точно известно – силовые разъемы это зло.
Провода… и это самое интересное, остановимся подробнее.
Медные провода тоже обладают эффектом полупроводника и вносят искажения в передаваемый сигнал. С данным дефектом можно бороться схемотехнически (большим выходным сопротивлением усилителя), но лучше использовать специальные сорта меди с низким содержанием примесей, приводящих к «полупроводниковому» эффекту, например, так называемую «бескислородную» медь.
реклама
Кроме внесения искажений, провода обладают конечным сопротивлением. Например, у одиночного провода сечением 1.5 мм 2 и длиной 3 метра сопротивление порядка 0.08 Ом. Полученная цифра не впечатляет, при подключении колонки 4 Ом таким проводом, на нем потеряется всего два процента напряжения (четыре процента мощности). Хуже другое, эти 0.08 Ом суммируются с выходным сопротивлением усилителя, что изменит степень электрического демпфирования динамических головок.
Впрочем… есть еще один подводный камень, про который все почему-то забывают. При повышении частоты сигнала, передаваемого по проводу, начинает действовать волновая природа и возникает эффект вытеснения зоны проводимости в поверхностные слои проводника. Если провод не монолитный и состоит из множества тонких проволочек, то этот дефект не проявляется? Отнюдь! Если проводники электрически не изолированы друг от друга, то магнитные поля складываются, и электрический ток начинает течь по внешним слоям только тех проволочек, что находятся снаружи. Зачастую, качественные кабели не только делают из изолированных проволочек, но и с пустой центральной частью – с диэлектрическим заполнителем.
Понятное дело, что основная вредоносность этого эффекта проявляется в импульсных блоках питания и других узлах с высокочастотной коммутацией. Также его проявления есть и в обычной связи «усилитель-колонка» – если на постоянном токе и не высокочастотном сигнале сопротивление провода останется 0.08 Ом, то на верхней границе частотного диапазона сопротивление возрастет. Это было бы не так страшно, только «утоньшение» провода на высоких частотах приведет к большей заметности полупроводникового эффекта.
К чему это я? Всё просто – качественная бескислородная медь зачастую выполняется в виде жгута изолированных мелких проволочек. Не знаю, насколько повышает качество звучания отсутствие кислорода в меди, но вот устранение дефектов от влияния эффекта «скин-слоя» прослеживается весьма четко и может быть легко измерено.
реклама
В заключение этого раздела хотел бы специально обратить внимание – качество пайки и соединительных проводников важно только при протекании большого тока через них. Для сигнальных цепей применение особо качественных проводников или пайка припоем с высоким содержанием серебра не дадут никакого положительного эффекта.
Что до разъемов, то с ними всё сложнее. Любое коммутационное устройство (разъем, реле и прочее) проектируется как на максимальный ток, что очевидно, так и на минимальный. Последнее требование вызвано применяемым покрытием контактной группы. Если на какое-то соединительное устройство не указан минимальный ток, то это вовсе не означает, что его нет – просто производитель «забыл» указать сей параметр. По возможности, используйте пайку, даже «винтовое» соединение не гарантирует отсутствие окисла под контактами. Не забывайте, что, как правило, понятие «удобство сборки» вступает в конфликт с качеством.
Влияние нагрузки
Данная рекомендация следует из механического (инерционного) характера работы динамической головки. Понятно, что эта особенность проявляется в небольшие интервалы времени и не сказывается на общем тепловом режиме. Однако игнорирование подобного условия приводит к печальным результатам – срабатыванию системы защиты от перегрузки или просто к работе усилителя в нештатном режиме. Увы, этой «болезнью» страдают и качественные усилители.
реклама
Проведенное исследование показало «не слишком удачный» бас на ряде усилителей, что трудно объяснить логически или экспериментально. Множество проверок давало только положительные результаты, но тестовое прослушивание упорно показывало «странность» звучания. Но после проведения теста на нагрузку в уменьшенном сопротивлении, все сразу встало на свои места – эти усилители показали резкий провал предельного уровня на низких и инфранизких частотах.
У динамической головки, кроме ее сопротивления, есть другие электрические характеристики – индуктивность, частота и добротность механического резонанса… но они хорошо известны и, как правило, легко учитываются при разработке устройства. Об этом знают, а вот тестирование на половинном сопротивлении выполняют далеко не всегда.
Динамический режим работы
Музыка даже отдаленно не напоминает монотонный синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, которым принято тестировать усилитель. И дело здесь не в эстетике – проводили исследования по восприятию человеком разных составляющих звуковых форматов: музыки, речи. Была обнаружена высокая чувствительность к качеству передачи резких изменений уровня звука. В речевой фонограмме вырезали фронты между звуками, после чего разборчивость падала катастрофически.
Для музыки свойственны плавные переходы между частями, но и в ней встречаются моменты с довольно агрессивным изменением уровня звука. Динамическому режиму усилителя характерны следующие потенциальные проблемы:
реклама
«Термоудар» встречается в большинстве выходных каскадов класса АВ, проявляясь в большей или меньшей степени – многое зависит от удачности конструкции теплоотводов и схемотехнического решения. Обычный вариант выходного каскада выглядит примерно так (схема упрощена до основных узлов):
Вывод «А» – предшествующая часть схемы. Для компенсации искажений, свойственных классу В (ступенька) в выходном каскаде задается небольшой ток через выходные транзисторы, что переводит усилитель в класс АВ и уменьшает уровень искажений. Осуществляется сие через введение дополнительного источника питания, приоткрывающего транзисторы выходного каскада, собранных на эмиттерных повторителях Q2-Q4 и Q3-Q5.
Такой дополнительный источник чаще всего выполняется на транзисторе (Q1 и резисторы делителя R2-R3), но встречаются варианты с гирляндами кремниевых диодов. Напряжение между выводами E и F задает ток покоя усилителя, но напрямую его выставить нельзя, приходится управлять напряжением в точках C и D, которое больше нужных точек E и F на напряжение перехода «база-эмиттер транзисторов» Q4 и Q5. Увы, точками C и D управлять по-прежнему затруднительно, вот и приходим к напряжению источника, точкам A и B.
реклама
Температура кристалла в транзисторе легко может нагреваться на 50 градусов к температуре среды, причем довольно быстро. Если перевести этот прирост температуры в изменение напряжение «база-эмиттер», то оно уменьшится на 50*2=100 мВ. Оба транзистора в паре нагреваются примерно одинаково и изменение напряжения в точках C и D составит в два раза большую цифру, 0.2 вольта. Если предположить, что источник питания смещения лишен термокомпенсации, то между C и D останется прежнее напряжение, а уменьшившееся напряжение переходов транзисторов вызовет повышение напряжение между точками E и F на 0.2В, что приведет к увеличению тока покоя с заданных 0.1 А до 0.26/0.6 = 0.43 А – уже весьма расточительно.
Прошу учесть, в рассмотрении не участвовало изменение температуры транзисторов Q2 и Q3, итог мог быть еще хуже. Выходит, что источник питания для установки тока смещения должен быть термокомпенсированным, как изображено на схеме – образцовое напряжение «база-эмиттер» транзистора Q1 зависит от температуры. При размещении транзистора Q1 на общем радиаторе с Q4 и Q5 он будет обладать примерно той же температурой и компенсировать изменение напряжения перехода «база-эмиттер». Всё хорошо, откуда проблемы?
Обычная рекомендация – устанавливать транзистор источника (Q1) на тот же радиатор, где смонтированы выходные транзисторы (Q4, Q5). При этом следует аргументация, что этим достигается термостабилизирование тока покоя. Напряжения «база-эмиттер» зависят от температуры кристалла, которая заведомо больше температуры корпуса транзистора. Но, и температура корпуса транзистора нагревается гораздо больше, чем радиатор. К этому приводит ограниченная толщина теплоотводящей пластины радиатора, на которую монтируются транзисторы, и обязательная термопрокладка.
Последняя крайне необходима из-за того, что на общий радиатор устанавливается несколько транзисторов и надо обеспечить электрическую изоляцию металла их корпуса от другого транзистора и цепей схемы. (Вообще-то, признаком хорошего тона является соединение крупных металлических узлов c цепью «земля»). Сюда же стоит прибавить сложность размещения силовых транзисторов близко друг от друга, для уменьшения перепадов температуры между силовыми транзисторами, и дополнительного транзистора термокомпенсации. Не в каждом усилителе устанавливают вентилятор для обдува радиатора, а это означает применение действительно большого радиатора и обязывает разнести силовые транзисторы друг от друга по поверхности радиатора.
В работе, при установившемся тепловом режиме, происходит следующее:
1. Температура кристалла в полтора-два раза больше температуры радиатора. Естественно, под «температурой» понимается нагрев над окружающей средой.
2. Тепловой коэффициент источника смещения рассчитан на четыре перехода, а основной нагрев происходит только в двух, на выходных транзисторах (Q4, Q5).
Первый пункт говорит, что точная термокомпенсация по температуре радиатора будет ошибаться в два(. ) раза. Второй означает, что компенсация источника работает в два раза эффективнее, чем надо. Если сложить оба пункта, то недокомпенсация два раза сложится (точнее «перемножится») с перекомпенсацией в источнике и будет полный порядок.
Обычно, так и происходит, но если говорить про установившийся режим. А вот если применить эти же выкладки при динамическом режиме работы, когда за громким уровнем следует тихий, то вот тут-то и начинаются проблемы. Уже говорилось, но перечислю в более четкой форме:
1. Температура (перегрева) кристалла много выше температуры (перегрева) радиатора. Причем, транзистор очень быстро скидывает эту разность температур при сбросе рассеиваемой тепловой мощности.
2. Датчик тепловой компенсации находится (механически) далеко от силовых транзисторов.
3. Нагрев и охлаждение одной части радиатора относительно долго распространяется на другие участки радиатора.
В результате, тепловая компенсация источника тока покоя оооочень сильно задержана во времени от температуры транзисторов. Если в статическом режиме можно удержать ток покоя в разумных рамках, то в динамике из-за запаздывания компенсации источника смещения, возможно как значительное увеличение тока покоя (при резком повышении уровня сигнала), так и значительное его уменьшение (переход к тихой музыке). Причем, уменьшение вплоть до 0, то есть усилитель переходит из класса АВ в чистый В. Стоит добавить, что в эти моменты как раз идет тихая музыка.
Что до моего примера, то давайте «прикинем» цифры. Положим, нагрев радиатора 20 градусов (к окружающей среде), что означает температуру кристалла транзистора 40 градусов (расчеты примерны). При резком сбросе громкости звука, скорее при «очень резком и сильном» сбросе, температура радиатора в месте крепления транзистора упадет до 15 градусов, а кристалла до 20 градусов. Не забывайте, подразумевается не абсолютная температура, а перегрев к окружающей среде. Ток покоя выходных транзисторов определяется напряжением на резисторах R5+R6 и их сопротивлением.
Обратите внимание, я «совершенно забыл» о транзисторах предвыходного каскада, Q2 и Q3. По идее, они не должны особо нагреваться и вреда от них не ожидается. Но, они всё же нагреются. Их установка на общий радиатор не улучшит ситуацию с термоударом, ведь температуру «кристалл-радиатор» выходных транзисторов контролировать (и компенсировать) нечем. Если же их устанавливать на собственные радиаторы или без оных вовсе, то у термоудара появится еще одна составляющая, температура предоконечных транзисторов, которая только ухудшает дело.
Теперь по скорости нарастания выходного сигнала.
Для симуляции используется следующая схема:
Эмуляция ограничения скорости нарастания достигается заменой верхнего плеча выходного каскада на нерегулируемый источник тока, транзистор Q5, и шунтирование нагрузки конденсатором (C1) чрезмерно большой величины. Для более наглядной демонстрации, в качестве сигнала применяются два источника – 2 кГц и 20 кГц. При этом получается следующая форма выходного сигнала:
Напоминаю, красный график образцового сигнала, зеленый – выходного.
Скорость нарастания выходного напряжения ограничена, что вызывает отставание зеленого графика по отношению к красному. Особенно интересен фрагмент между 250 мкс и 300 мкс – зеленый график начинает отставать от красного и накапливается ошибка обратной связи. В районе 280 мкс выходное напряжение наконец-то «догнало» красный и, вроде бы, с этого момента всё должно придти в норму, но за время отставания накопилась ошибка, которую надо выбрать и зеленый график продолжает расходиться и дальше.
Так будет до тех пор, пока ранее накопленная ошибка не будет компенсирована новой ошибкой, с другим знаком. Это происходит только при 300 мкс, обратная связь «спохватывается» и начинает уменьшать напряжение. Интересно, что опять следует перерегулирование, зеленый график уменьшается даже ниже красного. Последующие два периода частотой 20 кГц повреждаются по тому же сценарию.