Mail.ruПочтаМой МирОдноклассникиВКонтактеИгрыЗнакомстваНовостиПоискОблакоVK ComboВсе проекты

На пути к «совершенному» звуку. БезОСный УМЗЧ с отрицательным сопротивлением

Статья, где «ну очень много букв», с размышлениями на тему: каким должен быть «идеальный» усилитель. Является субъективным мнением автора и «не в коем разе» не претендует на догму звукоусиления.
Крайне не рекомендуется к прочтению «аудиофилам», для которых хорошее звучание достигается только лампами и трансформаторами в звуковом тракте. А также читателям, требовательным к художественному слогу и грамматическим ошибкам.

Немного истории

Разработчики аудиотехники и радиолюбители находятся в постоянном поиске технических решений для получения звука от аудиосистем, максимально приближенного к оригиналу. И надо сказать, что в этом на­правлении достигнуты большие успехи, как в области акустики и ее адаптации к конкретному помещению прослушивания, так и в области звукозаписывающей и звукоусилительной аппаратуры.

Порой наблюдаемые явления в отличии звучания той или иной схемы усилителя, часто не поддаются измерениям, научному обоснованию, а проявляются на уровне эмоций и ощущений - настолько высока разрешающая способность человеческого слуха.

Границы слышимых человеком частот при средних уровнях громкости (50-60 дБ) находятся в пределах 20-20000 Гц. Но эксперименты показывают, что человек все же воспринимает наличие, либо отсутствие высших гармоник, лежащих в ультразвуковой области 25...60 кГц. Поэтому не удивительно, что сейчас все больше появляется акустических систем, способных воспроизводить частоты до 90 кГц (с полуторным запасом). Что касается гармонических искажений, то в монофоническом тракте они могут быть не заметны до 3-5%, в стереофоническом же тракте разрешение слуха возрастает до 0,5-1% при условии, что спектр ограничен первыми 3...5 гармониками.

Первыми усилительными элементами были лампы. Для согласования высокого выходного сопротивления ламп с низкоомной нагрузкой использовались и используются по сей день трансформаторы. При этом выходное сопротивление усилителей получается сравнительно высокое, до нескольких Ом что часто дает «рыхлый» бас и отсутствие динамического контраста. Поклонников ламповой техники прежде всего привлекает специфическая окраска звука, которая характеризует его как «теплый», «бархатный» и т.п., что не имеет ничего общего с живым звуком. Трансформатор действует как полосовой фильтр, внося наряду с искажениями существенные фазовые сдвиги на краях полосы пропускания. Это одна из причин отказа от использования общей отрицательной обратной связи (ОООС). В результате сложившейся ситуации ламповые усилители, по сравнению с транзисторными, не смогли «подмочить свою репутацию», но и не могут обеспечить по-настоящему реальное звучание из-за ряда врожденных недостатков.

В транзисторных же усилителях, наоборот, были все предпосылки для использования глубокой ООС, которая, помимо снижения нелинейных искажений при работе на активную нагрузку, обеспечивает близкое к нулю выходное сопротивление. Эти перспективы затмили ламповое направление, и о лампах на время забыли.

Транзисторные HI-FI усилители, распространившиеся в 60-70 годах прошлого века, строились на принципах так называемых операционных усилителей, и имели по всем объективным показателям огромные преимущества перед ламповыми. Они имели фантастически низкий уровень нелинейных искажений, крайне малое выходное сопротивление, обеспечивали небывало широкий диапазон частот, выдавали большие мощности, обладали несопоставимо более высоким КПД, небольшой массой и размерами. Лампы проигрывали им по всем показателям, кроме одного. Субъективно они звучали более «мертво», более отстраненно, чем ламповые усилители с более скромными характеристиками. В то же время ламповые системы, несмотря на шум, ограни­ченный диапазон частот и искажения, звучат гораздо более эмоционально.

Технические характеристики транзисторных усилителей, на самом деле, плохо коррелируют с качеством звука. Причины указанного явления кроются в специфике работы устройств с ООС на реактивную нагрузку. Кстати, по этой причине возможно «транзисторное» звучание и чисто ламповых схем. Даже простые однотактные транзисторные усилители с неглубокой ООС звучат намного интересней, чем глубокоОСные.

На протяжении всего времени развития схемотехники усилителей звуковой частоты создано много направ­лений, порой противоположных друг другу:
УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением с помощью ПОС по току выхода - ИТУН с бесконечно высоким выходным сопротивлением;
безОСные усилители - усилители с глубокими ОООС;
усилители переменного тока - усилители постоянного тока;
однотактные – двухтактные.

Под каждое из направлений подведены теории, согласно которым именно это направление единственно правильное. В том числе и утверждение, что местные ОС неэффективны и основной упор надо делать на общую ООС. Каждое из направлений находит как сторонников, так и противников. Однотактные ламповые усилители считаются самыми «аудиофильскими» из всех устройств звукоусиления, так сказать самая богема. Но, как и положено любой богеме, за яркой мажорной оболочкой скрывается весьма «червивая изнанка». Сторонники однотактных усилителей, подверженные «вкусовщине», считают, что в цирклотронах «звук не живет», ценители же «правильного» звука, напротив, считают, что из всех ламповых, да и транзисторных усилителей только цирклотроны способны обеспечить максимально приближенный к натуральному звуку.

Лампа или транзистор?

Для объяснения «феномена» транзисторного звучания в каком только углу не искали «черную кошку»: и в тепловых искажениях; и в искажениях типа «ступенька» (но давно уже никто не делает усилители в чистом классе В, а в ламповых усилителях они тоже есть из-за петли гистерезиса трансформаторов), и в жестком клипировании (но запас по питанию «выше крыши» и никакого клипирования нет и в помине, и звука тоже), и в росте искажений с ростом частоты, и в отсутствии роста искажений с ростом выходного напряжения вплоть до клипирования (в ламповых же усилителях происходит плавное нарастание искажений, кстати, и в безОС- ных транзисторных тоже). Очередной миф. Можно подумать, что приращение искажений делает громкую музыку лучше. Просто в ламповой схемотехнике с этим характером искажений невозможно эффективно бороться.

Нынешний ламповый «HI-END» - это кажущийся возврат к прежней технике, но на другом уровне, под лозунгом «никаких компромиссов»: все подчинено только качеству звука. В техническом отношении он выливается, по сути, в отрицание HI-FI - никаких обратных связей, никаких двухтактников, только триоды. Сменилась сама парадигма: важны не объективные показатели, замеренные приборами (они-то как раз обычно невысоки), а субъективные ощущения аудиофила.

И здесь доходит до абсурда, когда относительно простые и дешевые гибридные усилители с первых секунд переигрывают дорогие ламповые брэнды. Надо сказать, что гибридные усилители сочетают в себе лучшее из ламповой и транзисторной схемотехники, и лучшим из них свойственны «великолепная середина, масштабная звуковая сцена, обилие воздуха и общая музыкальность». Они более неприхотливы к капризам акустики, чем чисто ламповые усилители.

Несмотря на то, что частота основных гармоник человеческого голоса и музыкальных инструментов едва превышает 4 кГц, спектр их гармоник лежит далеко за пределами звукового диапазона. При записи они неизбежно теряются. В результате, как бы точно не воспроизводил электрический сигнал глубокоОСный транзисторный УМЗЧ, звучание получается непривлекательным, «бестелесным».

Очевидно, ламповые усилители, хотя и вносят сравнительно большие искажения, обладая благоприятным спектром гармоник и в некоторой степени эффектом реверберации, приближают «консервированную» музыку к первоначальному виду. Известно, что низшие гармоники (до пятой) отвечают за ламповую окраску звука: вторая гармоника придает звуку «бархатность» и «теплоту», третья - «прозрачность», «воздушность» и «яркость» (ведь никого не раздражала 3-я гармоника до 3-х и более процентов в магнитной записи), а нечетные гармоники, начиная с седьмой и выше, являются диссонирующими - неприятны для слуха. Не удивительно, что транзисторный усилитель с вносимыми искажениями более 3 процентов (преимущественно 3-я гармоника) также нашел восторженных поклонников.

Однако, красота звука и естественность звучания - совершенно разные понятия, между которыми часто пытаются поставить знак равенства. Просто неискушенные слушатели подвержены вкусовщине, потому и «ведутся» на гармонизацию звука.

По этой причине в качестве студийной контрольной аппаратуры ламповую технику практически не используют, так как тут необходим бескомпромиссный, минимально окрашенный, не вводящий в заблуждение звук. Транзисторный усилитель не выдаст желаемое за действительное.

Что же касается усилителей с токовым выходом, а также с регулируемым выходным сопротивлением, то такие усилители очень капризны к АС, на ряде АС увеличение выходного сопротивления УМЗЧ никак не проявляется, а на других АС вместо улучшения качества звучания приводит к характерному «бубнению». А улучшение в ряде случаев можно рассматривать как благоприятное изменение (исправление) АЧХ для конкретной АС. К такому же результату приводит и аналогичное исправление АЧХ с помощью многополосного эквалайзера. Основной козырь сторонников ИТУН - это борьба с противо-ЭДС, в то же время совершенно забывают о такой мощной силе, как обратная ЭДС самоиндукции.

На самом деле комплексное сопротивление АС формируется целым букетом свойств громкоговорителей (как механических, так и электрических), акустического оформления, разделительных фильтров, акустических проводов и т.д., которое в области НЧ может просаживаться в 5-7 раз, а по некоторым данным даже до отрицательного значения, особенно на записях с глубокой компрессией, где НЧ сигналы представляют собой практически меандр и таким усилителям не по зубам справляться с его капризами. А так как выходное сопротивление формируется с помощью ОС по току выхода, который существенно сдвинут по фазе по отношению к входному сигналу, то им свойственны повышенные интермодуляционные искажения, особенно на частотах ниже 1 кГц.

Более того, ИТУН вообще не работоспособен на частоте резонанса НЧ-головки, где ее сопротивление может составлять от 20...30 Ом до 150 Ом и более. Но даже для 30 Ом 100 Ватный усилитель должен иметь питание не менее ± 220 В (7 А х 30 Ом +10 В = 220 В),  для усиления без клипирования (а что происходит при клипировании с остальными частотами, и так понятно), что нереально реализовать. Здесь 7 А - пиковое значение тока на нагрузке 4 Ома при выходной мощности 100 Вт, 10 В - запас по напряжению питания. Выбросы обратной ЭДС самоиндукции приводят к раннему клипированию даже вдали от частоты основного резонанса громкоговорителей. Поэтому разработчики ИТУН вынуждены использовать источники питания с двойным запасом по напряжению, что снижает КПД.

Плоские АЧХ динамических головок, обеспечивающие правильный тональный баланс, получаются при питании от источника напряжения. Использование токовых усилителей с громкоговорителями, построенными для усилителей напряжения, нецелесообразно, поскольку происходит существенное нарушение тонального баланса. Для обеспечения приемлемого тонального баланса необходим специально разработанный кроссовер.

В ИНУН сила, прикладываемая к диффузору со стороны катушки, также зависит от тока в катушке, который зависит от ее комплексного сопротивления, которое в свою очередь зависит от омического сопротивления катушки, ее индуктивности и от противо-ЭДС, пропорциональной скорости перемещения звуковой катушки в магнитном поле.

Обратная связь: обратная сторона

Кто работает с шаговыми двигателями, знает, что сигналы противо-ЭДС препятствуют развитию крутящего момента на больших оборотах, а мощные сигналы обратной ЭДС самоиндукции (Back EMF), выбрасываемые на шины питания при торможении, без использования дамперных устройств приводят к аварийной остановке из-за возникающих перенапряжений. Аналогичные сигналы действуют и на выход УМЗЧ со стороны акустических систем с динамическими головками, только здесь амплитуда выбросов напряжения зависит от схемы ВК и класса работы. Так как плечи ВК работают на нагрузку поочередно, то рабочее плечо борется с противо-ЭДС (бороться с обратной ЭДС самоиндукции оно не может, так же как не может бороться с выбросом Back EMF источник питания шагового двигателя), а второе плечо, находящееся в отсечке, не способно мгновенно переключиться, чтобы противостоять обратной ЭДС самоиндукции. Возникающие при этом выбросы напряжения поступают по цепи ООС на вход усилителя и усиленный сигнал коррекции, пройдя через весь тракт с определенной задержкой, скачком открывает запертое противоположное плечо, что и приводит в одних усилителях к характерной жесткости звучания, а в других к послезвучиям, порождая миф о циркуляции сигналов в цепи ООС. С пользой это явление используется, пожалуй, только в обратноходовых конверторах.

Некоторые из ведущих разработчиков HI-FI аппаратуры, по поводу ОООС высказался так: «Без ОС звук начинает быть живым, динамичным..., начинает дышать через вашу систему, ... с самого начала наши транзисторные и ламповые усилители имеют ноль обратной связи, ...обратной связи просто не должно быть. Почему? Потому что начинается регенерация сигнала».

Встречаются и такие высказывания: «БезОСные усилители на малых уровнях громкости демонстрируют высочайшую ясность и богатство звука, а с ростом сигнала искажения у них растут быстрее, чем у ОСных. И тем не менее, даже на большой мощности совсем нет грязи и каши. Ну а «первый Ватт» у безОСников звучит так, что после них на ОСные никто не переходит.»

О взаимодействии УМЗЧ и акустики вопрос периодически всплывает в технической литературе, сайтах и форумах, но оставляет после себя больше вопросов, чем ответов.

Мощные сигналы обратной ЭДС самоиндукции за счет падения напряжения на акустических проводах образуют очень большие искажения. С ними и боролся, при разработке УМЗЧ ВВ Н.Сухов, использовав компенсатор сопротивления проводов. Аналогичное решение под названием «Sigma drive system» использует фирма «Kenwood» в профессиональных мониторах, а также многие другие фирмы. Однако, это решение не годится для безОСных УМЗЧ.

В качестве драйвера для безОсного УМЗЧ хорошо подходит двухтактный «ломаный» каскод. Если применить ВК с корректором Хауксфорда, то при нулевом сопротивлении источника сигнала и точной балансировке корректора, искажения, вносимые ВК, довольно малы, а его выходное сопротивление стремится к отрицательному.

Даже если уровень нелинейных искажений доходит до 0,5 %, звучание усилителя с отрицательным выходным сопротивлением становится более быстрым и артикулированным, с большим динамическим контрастом, при сохранении шелкового верха и прекрасно читаемой середины (вокала, музыкальных инструментов), сцена становится более масштабной.

В одном из интервью В. Лэмм (Шушурин) обронил фразу: «...транзисторный усилитель, построенный по принципу УПТ, каким-то образом сдвигает форманту инструментов, работающих в области басового регистра..., не нарушая узнаваемости звучания самих инструментов». Поэтому в своих разработках Лэмм отказался от УПТ и использует переходной конденсатор между драйвером и выходным каскадом Такой же конденсатор вынужденно присутствует и в большинстве гибридных усилителей, что также, вопреки мифу, благоприятно сказывается на звуке.

В усилителе с отрицательным выходным сопротивлением переходной конденсатор увеличивает выходное сопротивление источника сигнала на инфранизких частотах, а значит и выходное сопротивление усилителя в этой области частот становится более отрицательным. Таким образом, переходной конденсатор в данном случае улучшает звучание в области НЧ за счет улучшения демпфирования на инфранизких частотах, что эквивалентно действию выходного трансформатора в ламповых усилителях.

Если говорить о компенсации сопротивления проводов, на которое в свое время обратил внимание Н. Сухов, оказывается, для достижения такого же эффекта, в безОсном усилителе достаточно установить величину отрицательного выходного сопротивления, равной полному сопротивлению акустических проводов. В этом случае напряжение на выходе УМЗЧ будет выше ровно на величину падения напряжения на проводах, а на клеммах АС оно будет номинальным. Таким образом, все происки обратной ЭДС самоиндукции будут нейтрализованы. Эксперименты на критичность отрицательного выходного сопротивления к различным типам АС, негативных эффектов не выявляют.

Схемотехника усилителя

Ниже представлен вариант схемы безОсного усилителя. Несмотря на кажущуюся сложность схемы, на самом деле она предельно проста и состоит всего из двух относительно простых каскадов: однокаскадного драйвера и выходного повторителя.

Схема электрическая принципиальная безОСного УМЗЧ
Схема электрическая принципиальная безОСного УМЗЧ

Технические характеристики:
Напряжение питания – двухполярное ±40 В;
Начальный ток выходного каскада (ток покоя) – 300 мА;
Уровень входного сигнала – 700 мВ;
Выходная мощность номинальная (4 Ом) – 85 Вт;
Рабочий диапазон частот – 10 Гц…30 кГц;
THD (мин.-макс.) при номинальной выходной мощности (85 Вт) в рабочем диапазоне частот – 0,05…0,2%;
Выходное сопротивление – -0,04 Ω.

Драйвер выполнен на транзисторах VT2-VT9 и работает в классе А с большим запасом. Коэффициент усиления по напряжению, определяют резисторы R12, R13 и R15. Питание эмиттерных цепей входных транзисторов обеспечивает ОУ DA1. Ток покоя транзисторов VT2, VT3 задается равным 3 мА с помощью делителя R1, R4, VT1. Транзистор VT1 обеспечивает температурную стабилизацию режимов. Для снижения рассеиваемой мощности на входных транзисторах и ее стабилизации в их коллекторные цепи включены резисторы R9 и R10. С помощью интегратора на DA2.1 обеспечивается поддержание нуля на выходе драйвера. Входное сопротивление безОСного ломаного каскода достаточно высокое, так как базовые токи VT2, VT3 в значительной сте­пени взаимно компенсируются, поэтому входное сопротивление усилителя определяется в основном резистором R2.

Входные транзисторы ломаного каскода работают в чистом режиме преобразователя напряжение-ток. Он практически не подвержен влиянию эффектов Миллера и Эрли. Выходные транзисторы каскода VT8, VT9 (каскад с ОБ) работают в режиме преобразования ток-напряжение и также не подвержены влиянию указанных эффектов.

Выходной каскад выполнен на транзисторах VT10-VT21. Величина выходного сопротивления зависит от степени разбалансировки корректора Хауксфорда. Выходное сопротивление усилителя при указанных номиналах корректора Хауксфорда = -0,1 Ом. Оптимальное значение тока покоя выходных транзисторов - 300 мА, что при спаривании требует внушительных теплоотводов. Поддержание нуля на выходе УМЗЧ обеспечивает интегратор на DA2.2.

Для максимального приближения звука к натуральному, УМЗЧ должен быть безОСным и иметь выходное сопротивление в пределах от 0 до -0,3 Ом. Если говорить о параметрах, то предложенная структура УМЗЧ позволяет получить достаточно малые искажения (для безОсника) с очень коротким спектром. Такие высокие параметры труднодоступны любому ламповому усилителю. Теперь измеренные параметры полностью коррелируют с качеством звуковоспроизведения. Такой усилитель может донести до слушателя тончайшие оттенки музыки очень тонко и глубоко. Мощность можно получить практически любую, как и в обычном транзисторном усилителе.

Печатная плата для схемы усилителя приведена ниже.

Печатная плата для схемы безОСного УМЗЧ
Печатная плата для схемы безОСного УМЗЧ

Поделиться в социальных сетях

Вам может понравиться