Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) (страница 1)

Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)	Время: 05.08.2011 04:58
Что дают радиолампы? 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. Радиолампы. 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: На затвор подается управляющее напряжение от +0.5 до -1.5 вольта. Устанавливать большее положительное напряжение нельзя, откроется встроенный паразитный диод (который, естественно, отсутствует в радиолампах). Устанавливать же меньше -1.5 вольта смысла нет, транзистор закрывается полностью. 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: 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: Зеленый – источник напряжения с очень низким внутренним сопротивлением. Синий – через резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению транзистора (при этом токе эмиттера). Черный – входной сигнал является токовым, то есть с бесконечным внутренним сопротивлением. Красный – образцовый сигнал, без искажений. 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: 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. При беглом взгляде на список создается впечатление, что лишь две позиции из пяти говорят в пользу радиоламп. Большое входное сопротивление – это бесспорный плюс, как и отсутствие смещения, но и остальные свойства - скорее их достоинство, чем недостаток. Впрочем, пройдемся по всем пунктам. Радиолампы спроектированы для работы на повышенных напряжениях, поэтому большинство свойств не являются столь плохими. Увы, современное применение радиоэлектронных устройств подразумевает нагрузку с низким сопротивлением (наушники, динамики) при широкой полосе частот, что крайне затрудняет процесс проектирования. Но трудности проектирования - проблемы разработчика и слушателя вообще не должны заботить. Главное – качество. 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. Отсутствует напряжение смещения управляющего вывода – второй бесспорный плюс. Посмотрите передаточную характеристику «вход-выход» усилительного каскада на JFET и обычного транзистора. Для первого смещение не обязательно, а вот транзистору просто необходим сдвиг уровня примерно на 0.6 вольта. Сравните, амплитуду сигнала 8 мВ со смещением 672 мВ, цифры даже не одного порядка! Поправка, даже не двух порядков. Особо усложняет жизнь то, что напряжение смещения зависит от температуры, примерно -2 мВ/градус. Для полезного сигнала 8 мВ это будет сопоставимо с изменением температуры транзистора на 8/2 = 4 градуса. Неприемлемо. 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. Во второй части статьи я собираюсь доказать, что недостатки радиоламп являются их достоинствами. Именно из-за них, устройств с явно посредственными свойствами, внимание не уменьшается. Конечно, радиолампы давно уже перешли в разряд «антуквариатов» (по весьма удачному выражению одного из участников старинного советского сериала «Следствие вели ЗнаТоКи»), что создает ареол элитарности. Но, если отбросить наносное - если бы у решений на радиолампах отсутствовали объективные преимущества, авантюрный интерес давно бы угас. В чем причина? Попробуем разобраться. Элементы схемотехники Сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы победят с явным отрывом. Пройдемся по основным узлам и элементам усилителя и посмотрим, что может дать переход на что-то типа радиолампы и почему следует столь неочевидный провал транзисторов. В данном разделе будут участвовать довольно большие модели, поэтому я буду прилагать файлы проектов, можете их исследовать самостоятельно. Формат OrCAD 10.5, используются только комплектные библиотеки. Хочу специально обратить ваше внимание – в данном разделе будет проводиться анализ и формулироваться выводы, но это лично мои суждения и они могут страдать изрядной долей субъективизма. Не верьте «на слово», проверяйте логику рассуждений и приведенные аргументы самостоятельно. Повторюсь, сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы лучше. Но любому бриллианту нужна оправа, без этого он просто кусок прозрачного стекла. Так и с транзисторами (микросхемами). Пройдемся по ключевым элементам и сравним влияние элементной базы и искусства разработки. Большинство усилителей низкой частоты строят из последовательного соединения следующих узлов: 1. Устройство сравнения 2. Линейный усилитель ошибки 3. Выходной каскад. С точки зрения проблем, основной вред вносит первая и последняя ступень этой цепочки. Но термин «вред», измеренный в коэффициенте гармоник, содержит мало смысла, поскольку кроме абстрактных цифр важны сопутствующие параметры – характер и заметность вносимых искажений, а они сильно рознятся для каждой из трех позиций. Аналогично различаются и способы повышения качества работы этих узлов. Устройство сравнения Традиционно, усилитель низкой частоты «начинается» с дифференциального каскада. Он может быть явный, из двух транзисторов, или неявный. Начнем с традиционного: Резисторы в эмиттерах чисто номинальные, они пригодятся чуть позже. Считайте, что их просто нет. Подадим сигнал в 25-50-100 мВ и посмотрим на результат. Схема одна и та же, меняется величина входного сигнала: Красный = 25 мВ. Зеленый = 50 мВ. Синий = 100 мВ. Даже на первый взгляд, по картинке хорошо видно, что следует ограничение сигнала. Для соблюдения порядка приведу спектр сигнала на выходе: Чем больше величина воздействия на дифференциальный усилитель, тем больше он вносит искажения. Давайте оценим «вредность» этих искажений. Обычно низкий уровень гармоник во всём усилителе достигается за счет общей обратной связи. То есть, если элемент с искажениями находится внутри петли обратной связи, то его «вредностное» действие значительно ослабляется. В нашем случае дифференциальный каскад является узлом сравнения обратной связи, а поэтому не входит внутрь цепи коррекции и не может быть исправлен обратной связью. Даже хуже, чем глубже обратная связь, тем сильнее проявляются искажения от дифференциального усилителя. Это значит, что в данном тесте «чересчур» не только уровень 50 и 100 мВ, когда следует явное ограничение уровня, но и 25 мВ тоже. Попробуем иначе, в схеме присутствуют «декоративные» резисторы R3 и R5. Увеличим их до разумного значения. Сопротивление эмиттерного перехода при токе 0.5 мА порядка 50 Ом, значит, есть смысл поставить дополнительный резистор, скажем, 330 Ом. Спектр выходного сигнала для эмиттерных резисторов R3 = R5 = 330 Ом: В схеме поменялся коэффициент усиления, поэтому список величин исходного сигнала будет расширен. Красный = 25 мВ. Зеленый = 50 мВ. Синий = 100 мВ. Фиолетовый = 250 мВ. Черный = 500 мВ. Последние два значения выбраны из условия обеспечения примерно такого же выходного напряжения, что и в предыдущем тесте для 50 и 100 мВ. Добавление резисторов снижает коэффициент усиления дифференциального каскада и немного уменьшает уровень искажений при низком входном сигнале (сравните пик на частоте 5 кГц для графика синего цвета последнего теста и красный предыдущего), но никак не влияет на уровень выходного сигнала. В обоих тестах ограничение наступало при напряжении 3 вольта. Очевидно, что выходное напряжение здесь не при чём, ограничение вызвано другим элементом или параметром. И этот элемент – источник тока I1, величиной 1 мА. Нагрузочными сопротивлениями дифкаскада являются резисторы R2, R4 номиналом 3.3 кОм, что при токе I1 = 1 мА может обеспечить уровень полезного сигнала не более 3.3 К * 1 мА = 3.3 В, что и произошло. Ну хорошо, а что будет, если поменять транзисторы на заведомо лучшие, с большим hFE и частотным диапазоном? А ничего, совершенно ничего. Дело в том, что величина управляющего напряжения зависит от эмиттерного сопротивления (Re), которое довольно точно считается по формуле 26 мВ / Ie, где Ie – ток эмиттера. Само максимальное значение управляющего напряжения считается как Re * Ie, где Ie = величине источника тока в эмиттере дифкаскада. Путем приведения сопротивления к напряжению получится, что максимальное управляющее напряжение составляет 26 мВ. Эти рассуждения были про один транзистор пары, но поскольку их два, то это напряжение надо умножить на два, или 52 мВ. Симулирование схемы показало примерно такой же результат, при управляющем напряжении 50 мВ идут сильные искажения, а при 100 мВ наступает явное ограничение уровня. Почему нет точного совпадения? Все просто, под Ie следует понимать мгновенное значение тока эмиттера, который изменяется очень сильно, в десять и более раз, в пределах величин управляющего сигнала. Кроме обычного дифференциального каскада на двух транзисторах, узел сравнения может быть выполнен и на одном транзисторе, например, так: Форма сигнала на выходе: При нехватке тока наступает ограничение (насыщение), как и в обычном дифкаскаде, но и есть и отличие – однотранзисторный вариант не сможет отдать ток ниже 0, поэтому следует ограничение снизу, а вот повышать ток выше критического он способен – при положительной полуволне никаких видимых искажений не наблюдается. Перейдем к анализу спектра: В отличие от симметричного дифференциального каскада, рассмотренного ранее, в спектре подобного включения наблюдаются четные гармоники – схема обладает явной асимметрией… Но если отбросить эту мелочь, то результаты совпадают. Вывод – обычный дифкаскад получил очень узкий рабочий диапазон напряжений. Но, при чём здесь это, если усилитель ошибки и так должен работать только с очень маленьким сигналом – на дифкаскаде усиливается только разностный сигнал, полученный вычитанием напряжением обратной связи из входного сигнала, то есть мизерная величина. К этому вопросу вернемся чуть позже, а пока давайте поговорим о другой, но связанной проблеме – обратной связи. Общая обратная связь Этот раздел является прямым продолжением предыдущего и тесно с ним связан. Обратная связь (если говорить точнее - общая отрицательная обратная связь) призвана уменьшать уровень гармоник, создаваемых усилителем, но она сама создает проблемы. Попробуем сделать модель всего усилителя и посмотрим сигналы в контрольных точках. При рассмотрении работы схемы часто забывают о задержках в каскадах усилителя. Увы, у транзисторов есть паразитные емкости, да и быстродействие их не бесконечно, даже для такого медленного устройства, как усилитель низкой частоты. Для эмуляции этого дефекта, в схему добавлена задержка 1 мкс, создаваемая двумя RC цепочками на элементах R9-R12 и C2, C3. Кроме того, усилитель должен обладать внутренней частотной коррекцией, для чего добавлен конденсатор С1, ограничивающий частоту единичного усиления цифрой 5 мГц. В качестве входного сигнала применяется прямоугольной формы частотой 4 кГц с затянутыми фронтами по 10 мкс. Интерес представляет напряжение ошибки, формируемой на входе дифкаскада, между его «+» и «-» входами (на схеме отмечено красным маркером, показывается разностное напряжение). В предыдущем разделе было показано, что дифкаскад на двух транзисторах вносит большие искажения в усиливаемый сигнал при его амплитуде порядка 10 мВ, а при 50 – 100 мВ искажения просто недопустимые. Приведенная модель усилителя показывает амплитуду 90 мВ. Это означает, что усилитель будет вносить дикие искажения на нестационарном сигнале. Что надо сделать для устранения дефекта? Да почти ничего, установить добавочные резисторы в эмиттеры транзисторов дифкаскада, что увеличит рабочий диапазон в несколько раз и исключит ограничение сигнала во входном каскаде. Конечно, это потребует сохранения большего рабочего диапазона и в последующих каскадах, до узла частотной коррекции. Да и самих усилительных каскадов станет больше. Ну а раз деталей больше, то это производителю невыгодно. Потребителю представляются цифры для стационарного сигнала и в этой, извините, «цифири» между схемными решениями разница мало заметна. К тому же, усилители в интегральном исполнении должны работать в широком диапазоне питающих напряжений и чувствительности усилителя, поэтому ограничение коэффициента усиления входного каскада применяется крайне-крайне редко. С радиолампами проще, у них довольно низкий коэффициент усиления, поэтому этой проблемы нет в принципе. Вообще-то, существует ряд усилителей, в которых пытались уменьшить вред от общей обратной связи, или убрать ее вовсе. Мечтой моего детства был секс на колесе обозрения. Атмосфера возвышенная, кровь кипит и рядом красивая барышня. Если еще и застрять где то на высоте, вообще жесть была бы. Тут не важна киска , а важен не сам процесс, а то где и с кем. Нашел я в парке подругу, купили билетики на колесо. Если вкратце, то секса не получилось, зато минет был отличным. Осуществлялось сие использованием местной обратной связи в каждом каскаде, что рассмотрено в данном разделе входного каскада усилителя – резисторы R3 и R5. Как показали прослушивания, у таких усилителей лучше передача сигнала при заведомо худших технических характеристиках (уровне гармоник). Нюанс в том, что технические характеристики измеряются на стационарном сигнале, чаще всего 1 кГц. Стоит отметить, что отсутствие общей обратной связи, в ряде композиций, отмечалось как негативный момент. Лично мое мнение – улучшение связано не с отсутствием общей обратной связи, а с тем, что каждый элемент усилителя получил большую перегрузочную способность. По поводу общей обратной связи есть еще одна проблема. Она напрямую не связана с перегрузочной способностью входного каскада, но приводит к тем же неприятным последствиям – в усилителе должна присутствовать частотная коррекция. Для получения малой величины напряжения ошибки во входном каскаде, что крайне желательно с точки зрения минимизации в нем искажений, необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления всех каскадов усилителя. Увы, это неизбежно приведет к неустойчивой работе вплоть до самовозбуждения. Лекарство одно – частотная коррекция, уменьшающая общий коэффициент усиления по мере роста частоты сигнала. Как следствие данной топологии – с повышением частоты сигнала растет уровень сигнала ошибки в дифференциальном усилителе, что увеличивает коэффициент гармоник этого каскада. Кроме того, с повышением частоты падает усиление в цепи, охваченной обратной связью, что уменьшает эффект подавления искажений усилителя. Применение местной обратной связи снижает коэффициент усиления каскадов, и это уменьшает усиление всего устройства, но из-за требования устойчивости в усилителе должна применяться частотная коррекция. Последняя ограничит усиление на высоких частотах примерно тем же значением, что и без применения местной обратной связи. Как следствие, усилитель только с общей обратной связью лучше передает низкие и средние частоты, но зато у него есть потенциальные проблемы с передачей высоких частот – повышенная вероятность появления интермодуляционных искажений. Усилитель с местной обратной связью проигрывает по уровню гармоник редакции с общей обратной связью для низких (и средних) частот. Линейный усилитель 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 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. 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 обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности. Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема: Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая: AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА. ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора. Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт и 10 вольт: 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: 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: С крайне низким выходным сопротивлением. Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки. Усилитель работает в режиме 'источник тока' и его выходное сопротивление крайне велико. 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: Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент. Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением. Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки. Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока. Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр: 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: 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. 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 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? Со схемотехникой усилителей схожая беда. Да, транзисторы эффективнее и лучше радиоламп. При конструировании аппаратуры можно получить сверхнизкий уровень гармоник и других характеристик усилителя (выходное сопротивление, скорость нарастания выходного сигнала, максимальная частота и прочие), но с какими последствиями? Дело не в количестве компонентов, SOT-23 или интегральные решения занимают мизерное место, по сравнению с одной единственной радиолампой. Проблема кроется в подходе – в борьбе за «красивые цифры» часто забывают о главном - качестве звучания. 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. Материал с сайта overclockers.ru

Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)

Время: 05.08.2011 04:58

Что дают радиолампы?

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.

Радиолампы.

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:

На затвор подается управляющее напряжение от +0.5 до -1.5 вольта. Устанавливать большее положительное напряжение нельзя, откроется встроенный паразитный диод (который, естественно, отсутствует в радиолампах). Устанавливать же меньше -1.5 вольта смысла нет, транзистор закрывается полностью.

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:

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:
Зеленый – источник напряжения с очень низким внутренним сопротивлением.
Синий – через резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению транзистора (при этом токе эмиттера).
Черный – входной сигнал является токовым, то есть с бесконечным внутренним сопротивлением.
Красный – образцовый сигнал, без искажений.

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:

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.

При беглом взгляде на список создается впечатление, что лишь две позиции из пяти говорят в пользу радиоламп. Большое входное сопротивление – это бесспорный плюс, как и отсутствие смещения, но и остальные свойства - скорее их достоинство, чем недостаток. Впрочем, пройдемся по всем пунктам.

Радиолампы спроектированы для работы на повышенных напряжениях, поэтому большинство свойств не являются столь плохими. Увы, современное применение радиоэлектронных устройств подразумевает нагрузку с низким сопротивлением (наушники, динамики) при широкой полосе частот, что крайне затрудняет процесс проектирования. Но трудности проектирования - проблемы разработчика и слушателя вообще не должны заботить. Главное – качество.

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.

Отсутствует напряжение смещения управляющего вывода – второй бесспорный плюс. Посмотрите передаточную характеристику «вход-выход» усилительного каскада на JFET и обычного транзистора. Для первого смещение не обязательно, а вот транзистору просто необходим сдвиг уровня примерно на 0.6 вольта. Сравните, амплитуду сигнала 8 мВ со смещением 672 мВ, цифры даже не одного порядка! Поправка, даже не двух порядков. Особо усложняет жизнь то, что напряжение смещения зависит от температуры, примерно -2 мВ/градус. Для полезного сигнала 8 мВ это будет сопоставимо с изменением температуры транзистора на 8/2 = 4 градуса. Неприемлемо.

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.

Во второй части статьи я собираюсь доказать, что недостатки радиоламп являются их достоинствами. Именно из-за них, устройств с явно посредственными свойствами, внимание не уменьшается. Конечно, радиолампы давно уже перешли в разряд «антуквариатов» (по весьма удачному выражению одного из участников старинного советского сериала «Следствие вели ЗнаТоКи»), что создает ареол элитарности. Но, если отбросить наносное - если бы у решений на радиолампах отсутствовали объективные преимущества, авантюрный интерес давно бы угас. В чем причина? Попробуем разобраться.

Элементы схемотехники

Сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы победят с явным отрывом. Пройдемся по основным узлам и элементам усилителя и посмотрим, что может дать переход на что-то типа радиолампы и почему следует столь неочевидный провал транзисторов. В данном разделе будут участвовать довольно большие модели, поэтому я буду прилагать файлы проектов, можете их исследовать самостоятельно. Формат OrCAD 10.5, используются только комплектные библиотеки.

Хочу специально обратить ваше внимание – в данном разделе будет проводиться анализ и формулироваться выводы, но это лично мои суждения и они могут страдать изрядной долей субъективизма. Не верьте «на слово», проверяйте логику рассуждений и приведенные аргументы самостоятельно.

Повторюсь, сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы лучше. Но любому бриллианту нужна оправа, без этого он просто кусок прозрачного стекла. Так и с транзисторами (микросхемами). Пройдемся по ключевым элементам и сравним влияние элементной базы и искусства разработки.

Большинство усилителей низкой частоты строят из последовательного соединения следующих узлов:
1. Устройство сравнения
2. Линейный усилитель ошибки
3. Выходной каскад.

С точки зрения проблем, основной вред вносит первая и последняя ступень этой цепочки. Но термин «вред», измеренный в коэффициенте гармоник, содержит мало смысла, поскольку кроме абстрактных цифр важны сопутствующие параметры – характер и заметность вносимых искажений, а они сильно рознятся для каждой из трех позиций. Аналогично различаются и способы повышения качества работы этих узлов.

Устройство сравнения

Традиционно, усилитель низкой частоты «начинается» с дифференциального каскада. Он может быть явный, из двух транзисторов, или неявный.

Начнем с традиционного:

Резисторы в эмиттерах чисто номинальные, они пригодятся чуть позже. Считайте, что их просто нет. Подадим сигнал в 25-50-100 мВ и посмотрим на результат.

Схема одна и та же, меняется величина входного сигнала:
Красный = 25 мВ.
Зеленый = 50 мВ.
Синий = 100 мВ.

Даже на первый взгляд, по картинке хорошо видно, что следует ограничение сигнала. Для соблюдения порядка приведу спектр сигнала на выходе:

Чем больше величина воздействия на дифференциальный усилитель, тем больше он вносит искажения. Давайте оценим «вредность» этих искажений. Обычно низкий уровень гармоник во всём усилителе достигается за счет общей обратной связи. То есть, если элемент с искажениями находится внутри петли обратной связи, то его «вредностное» действие значительно ослабляется.

В нашем случае дифференциальный каскад является узлом сравнения обратной связи, а поэтому не входит внутрь цепи коррекции и не может быть исправлен обратной связью. Даже хуже, чем глубже обратная связь, тем сильнее проявляются искажения от дифференциального усилителя. Это значит, что в данном тесте «чересчур» не только уровень 50 и 100 мВ, когда следует явное ограничение уровня, но и 25 мВ тоже.

Попробуем иначе, в схеме присутствуют «декоративные» резисторы R3 и R5. Увеличим их до разумного значения. Сопротивление эмиттерного перехода при токе 0.5 мА порядка 50 Ом, значит, есть смысл поставить дополнительный резистор, скажем, 330 Ом.

Спектр выходного сигнала для эмиттерных резисторов R3 = R5 = 330 Ом:

В схеме поменялся коэффициент усиления, поэтому список величин исходного сигнала будет расширен.
Красный = 25 мВ.
Зеленый = 50 мВ.
Синий = 100 мВ.
Фиолетовый = 250 мВ.
Черный = 500 мВ.

Последние два значения выбраны из условия обеспечения примерно такого же выходного напряжения, что и в предыдущем тесте для 50 и 100 мВ.

Добавление резисторов снижает коэффициент усиления дифференциального каскада и немного уменьшает уровень искажений при низком входном сигнале (сравните пик на частоте 5 кГц для графика синего цвета последнего теста и красный предыдущего), но никак не влияет на уровень выходного сигнала. В обоих тестах ограничение наступало при напряжении 3 вольта.

Очевидно, что выходное напряжение здесь не при чём, ограничение вызвано другим элементом или параметром. И этот элемент – источник тока I1, величиной 1 мА. Нагрузочными сопротивлениями дифкаскада являются резисторы R2, R4 номиналом 3.3 кОм, что при токе I1 = 1 мА может обеспечить уровень полезного сигнала не более 3.3 К * 1 мА = 3.3 В, что и произошло.

Ну хорошо, а что будет, если поменять транзисторы на заведомо лучшие, с большим hFE и частотным диапазоном? А ничего, совершенно ничего. Дело в том, что величина управляющего напряжения зависит от эмиттерного сопротивления (Re), которое довольно точно считается по формуле 26 мВ / Ie, где Ie – ток эмиттера. Само максимальное значение управляющего напряжения считается как Re * Ie, где Ie = величине источника тока в эмиттере дифкаскада. Путем приведения сопротивления к напряжению получится, что максимальное управляющее напряжение составляет 26 мВ.

Эти рассуждения были про один транзистор пары, но поскольку их два, то это напряжение надо умножить на два, или 52 мВ. Симулирование схемы показало примерно такой же результат, при управляющем напряжении 50 мВ идут сильные искажения, а при 100 мВ наступает явное ограничение уровня. Почему нет точного совпадения? Все просто, под Ie следует понимать мгновенное значение тока эмиттера, который изменяется очень сильно, в десять и более раз, в пределах величин управляющего сигнала.

Кроме обычного дифференциального каскада на двух транзисторах, узел сравнения может быть выполнен и на одном транзисторе, например, так:

Форма сигнала на выходе:

При нехватке тока наступает ограничение (насыщение), как и в обычном дифкаскаде, но и есть и отличие – однотранзисторный вариант не сможет отдать ток ниже 0, поэтому следует ограничение снизу, а вот повышать ток выше критического он способен – при положительной полуволне никаких видимых искажений не наблюдается.

Перейдем к анализу спектра:

В отличие от симметричного дифференциального каскада, рассмотренного ранее, в спектре подобного включения наблюдаются четные гармоники – схема обладает явной асимметрией… Но если отбросить эту мелочь, то результаты совпадают.

Вывод – обычный дифкаскад получил очень узкий рабочий диапазон напряжений. Но, при чём здесь это, если усилитель ошибки и так должен работать только с очень маленьким сигналом – на дифкаскаде усиливается только разностный сигнал, полученный вычитанием напряжением обратной связи из входного сигнала, то есть мизерная величина. К этому вопросу вернемся чуть позже, а пока давайте поговорим о другой, но связанной проблеме – обратной связи.

Общая обратная связь

Этот раздел является прямым продолжением предыдущего и тесно с ним связан. Обратная связь (если говорить точнее - общая отрицательная обратная связь) призвана уменьшать уровень гармоник, создаваемых усилителем, но она сама создает проблемы. Попробуем сделать модель всего усилителя и посмотрим сигналы в контрольных точках.

При рассмотрении работы схемы часто забывают о задержках в каскадах усилителя. Увы, у транзисторов есть паразитные емкости, да и быстродействие их не бесконечно, даже для такого медленного устройства, как усилитель низкой частоты. Для эмуляции этого дефекта, в схему добавлена задержка 1 мкс, создаваемая двумя RC цепочками на элементах R9-R12 и C2, C3. Кроме того, усилитель должен обладать внутренней частотной коррекцией, для чего добавлен конденсатор С1, ограничивающий частоту единичного усиления цифрой 5 мГц. В качестве входного сигнала применяется прямоугольной формы частотой 4 кГц с затянутыми фронтами по 10 мкс.

Интерес представляет напряжение ошибки, формируемой на входе дифкаскада, между его «+» и «-» входами (на схеме отмечено красным маркером, показывается разностное напряжение).

В предыдущем разделе было показано, что дифкаскад на двух транзисторах вносит большие искажения в усиливаемый сигнал при его амплитуде порядка 10 мВ, а при 50 – 100 мВ искажения просто недопустимые. Приведенная модель усилителя показывает амплитуду 90 мВ. Это означает, что усилитель будет вносить дикие искажения на нестационарном сигнале.

Что надо сделать для устранения дефекта? Да почти ничего, установить добавочные резисторы в эмиттеры транзисторов дифкаскада, что увеличит рабочий диапазон в несколько раз и исключит ограничение сигнала во входном каскаде. Конечно, это потребует сохранения большего рабочего диапазона и в последующих каскадах, до узла частотной коррекции. Да и самих усилительных каскадов станет больше. Ну а раз деталей больше, то это производителю невыгодно.

Потребителю представляются цифры для стационарного сигнала и в этой, извините, «цифири» между схемными решениями разница мало заметна. К тому же, усилители в интегральном исполнении должны работать в широком диапазоне питающих напряжений и чувствительности усилителя, поэтому ограничение коэффициента усиления входного каскада применяется крайне-крайне редко.

С радиолампами проще, у них довольно низкий коэффициент усиления, поэтому этой проблемы нет в принципе.

Вообще-то, существует ряд усилителей, в которых пытались уменьшить вред от общей обратной связи, или убрать ее вовсе. Мечтой моего детства был секс на колесе обозрения. Атмосфера возвышенная, кровь кипит и рядом красивая барышня. Если еще и застрять где то на высоте, вообще жесть была бы. Тут не важна киска , а важен не сам процесс, а то где и с кем. Нашел я в парке подругу, купили билетики на колесо. Если вкратце, то секса не получилось, зато минет был отличным. Осуществлялось сие использованием местной обратной связи в каждом каскаде, что рассмотрено в данном разделе входного каскада усилителя – резисторы R3 и R5.

Как показали прослушивания, у таких усилителей лучше передача сигнала при заведомо худших технических характеристиках (уровне гармоник). Нюанс в том, что технические характеристики измеряются на стационарном сигнале, чаще всего 1 кГц. Стоит отметить, что отсутствие общей обратной связи, в ряде композиций, отмечалось как негативный момент. Лично мое мнение – улучшение связано не с отсутствием общей обратной связи, а с тем, что каждый элемент усилителя получил большую перегрузочную способность.

По поводу общей обратной связи есть еще одна проблема. Она напрямую не связана с перегрузочной способностью входного каскада, но приводит к тем же неприятным последствиям – в усилителе должна присутствовать частотная коррекция. Для получения малой величины напряжения ошибки во входном каскаде, что крайне желательно с точки зрения минимизации в нем искажений, необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления всех каскадов усилителя. Увы, это неизбежно приведет к неустойчивой работе вплоть до самовозбуждения.

Лекарство одно – частотная коррекция, уменьшающая общий коэффициент усиления по мере роста частоты сигнала. Как следствие данной топологии – с повышением частоты сигнала растет уровень сигнала ошибки в дифференциальном усилителе, что увеличивает коэффициент гармоник этого каскада. Кроме того, с повышением частоты падает усиление в цепи, охваченной обратной связью, что уменьшает эффект подавления искажений усилителя.

Применение местной обратной связи снижает коэффициент усиления каскадов, и это уменьшает усиление всего устройства, но из-за требования устойчивости в усилителе должна применяться частотная коррекция. Последняя ограничит усиление на высоких частотах примерно тем же значением, что и без применения местной обратной связи. Как следствие, усилитель только с общей обратной связью лучше передает низкие и средние частоты, но зато у него есть потенциальные проблемы с передачей высоких частот – повышенная вероятность появления интермодуляционных искажений.

Усилитель с местной обратной связью проигрывает по уровню гармоник редакции с общей обратной связью для низких (и средних) частот.

Линейный усилитель

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

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.

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 обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности.

Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:

Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:
AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА.
ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора.

Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт и 10 вольт:

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:

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:
С крайне низким выходным сопротивлением.
Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки.
Усилитель работает в режиме 'источник тока' и его выходное сопротивление крайне велико.

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:
Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:

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:

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.

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

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?

Со схемотехникой усилителей схожая беда. Да, транзисторы эффективнее и лучше радиоламп. При конструировании аппаратуры можно получить сверхнизкий уровень гармоник и других характеристик усилителя (выходное сопротивление, скорость нарастания выходного сигнала, максимальная частота и прочие), но с какими последствиями? Дело не в количестве компонентов, SOT-23 или интегральные решения занимают мизерное место, по сравнению с одной единственной радиолампой. Проблема кроется в подходе – в борьбе за «красивые цифры» часто забывают о главном - качестве звучания.

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.

Материал с сайта overclockers.ru

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 23.11.2011 22:48
bazzman СПБ bass	какой смысл сравнивать столь детально технические характеристики ламповой и транзисторной техники, если ламповые гитарные усилители являются абсолютным стандартом любой профессиональной сцены, и музыканты уже давно сделали свой выбор)))) Суть проблемы напоминает хорошую русскую пословицу: сколько волка не корми, а у слона всё равно толще...
bazzman СПБ bass

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 26.11.2011 12:03
jordan Москва Ibanez2620	ну да Это как сравнивать авто и велосипед Авто быстрое а велосипед воздух не портит.Пусть будет изобилие)
jordan Москва Ibanez2620	http://www.youtube.com/user/EvgenyHarin

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 23.01.2012 21:36
Валерий Питер гитара, вокал	А мне так и транзисторные усилители нравятся если они сделаны нормально, в принципе к лампам я воопще равнодушен, хотя на киловатах без них не обойтись очевидно. Тут такой нюанс еще, который часто остается за кадром. Транзисторы чуствительны к тепловому режиму , при их нагреве искажения весьма возростают и могут дать такое жесткое звучание что слушать долго будет невозможно, чем, кстати, отличался наш отечественный усилок "Корвет", который хоть и писали Hi-Fi, но слушать было невозможно, он и грелся как кипятильник на выходных транзисторах. Что для ламп, этот нагрев, воопще пофиг, на звучании это не отражается. Поэтому в усилках на транзисторах, если это считать как высококачественный прибор, тепловой режим должен быть нормальным в первую очередь, т.е. с хорошим теплоотводом (с массивными радиатарами) для тех транзисторов что греются в том или ином режиме.
Валерий Питер гитара, вокал	Делаю активную гитарную электронику, симметричные схемы- супер.

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 14.02.2012 22:49
HOTGUITARS.RU Москва	вся музыка сыграна на лампах и культура звука тяжёлого основанна на лампах .на минимально искаженном режиме получаем очень тяжелый плотный звук. Лампа позволяет ощущать электро гитару как аккустическую и играть на ней соответствующим образом не полагаясь на синтетическое искуственно продлённое транзисторное звучание.Атавизм ли лампы?? тогда испанская гитара тоже атавизм....
HOTGUITARS.RU Москва	8-903-188-04-02

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 19.02.2012 00:13
jelezzo Moskva Gibson, ATTR...	дорогой автор! спасибо за статью. она классная. интересно ваше мнение. если современная оцифровка звука позволяет производить высочайшую степень квантования, а вопрос объёма и скорости памяти наверное уже не стоит, что мешает перебрать НУ ВСЕ варианты НУ ВСЕХ усилителей. и ламповых, и транзисторных, и гибридов... и спокойно выдавать эмуляцию ЧЕГО УГОДНО без потери аутентичности. итак, вопрос! заменит ли цифра и лампу и транзистор?
jelezzo Moskva Gibson, ATTR...	если забанят - считайте меня программистом...

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 25.02.2012 01:36
player999 Киев я не музыкант	>дорогой автор! спасибо за статью. она классная. >интересно ваше мнение. >если современная оцифровка звука позволяет производить высочайшую степень квантования, а вопрос объёма и скорости памяти наверное уже не стоит, что мешает перебрать НУ ВСЕ варианты НУ ВСЕХ усилителей. и ламповых, и транзисторных, и гибридов... и спокойно выдавать эмуляцию ЧЕГО УГОДНО без потери аутентичности. >итак, вопрос! >заменит ли цифра и лампу и транзистор? Милейший, вопрос стоит не корректно. Цифровой звук требует усиления после цифро-аналогового преобразования!
player999 Киев я не музыкант

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 13.03.2012 20:35
MASTER-BLASTER www.ru КНопкодавВЪ	SACD этого нетребует,а будущее за ним все таки...
MASTER-BLASTER www.ru КНопкодавВЪ

Автор	Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) Время: 19.02.2013 14:12
Sergej0144 баян	Автор, по моему, сгущает краски. Скажу сразу, он знает или где подсмотрел электронику. Но в настоящее время ситуация не та. Если покупать усилить, к примеру, Ямаха, за 1к $, то это одно звучание, а если за 100 и выше $, а они всё те же на полевых транзисторах, то это совсем другое дело. Автор наверное знает на каких элементах сделана "начинка" синтезаторов, гитар, радиомикрофонов? На лампах? Нет, уважаемый. И тогда, какой смысл усиливать изначально порочный сигнал лампами?. Повторяю, ситуация в борьбе лампы-транзисторы изменилась. Кому надо высокое качество, те денег не жалеют. Они их заработают на концертах. Другое дело повседневному слушателю, даже меломаны, за такие деньги она не нужна. Где слушать? В квартире 25-35 кв. м? Наивно, Похвастаться перед друзьями? Ну может быть, пусть покупает, но он не "выжмет" из нее того, на что она рассчитана.
Sergej0144 баян

Статьи

Поиск музыкантов

работа для музыкантов

музыкальные инструменты

репетиционные базы Москвы

форум вокалистов

форум текстовиков

форум клавишников

форум барабанщиков

форум гитаристов

Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)

			Все репетиционные базы и студии
			Магазины музыкальных инструментов