PDA RSS
Вы не зарегистрированы Регистрация | Поиск | Войти

Статьи

СПИСОК РАЗДЕЛОВ

Поиск музыкантов

Куплю-продам
Услуги
Полезная информация
Общение
Барабанщикам
Гитаристам
Звук и звучание
Задай вопрос
Регионы
SHAMRAY GUITARS
Форумы друзей
MUSICFORUMS.RU
Наши друзья
 

Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)

Время: 04.08.2011 00:25 
Введение

Знаете, очень хочется слушать музыку в хорошем качестве. «Балалайки» с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хотя медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. Думаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое время интересовались колонками и усилителями, не минула чаша сия и меня. К сожалению, я не являюсь профессионалом в этой области, поэтому суждения в статье могут быть не слишком удачными и значительная их часть является лично моими наблюдениями, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.

Лампы, бескислородная медь и прочее

Любители акустики делятся на две (скорее три) категории – техники и «слухачи». Первые понимают только цифры, вторые цифирные упражнения не приемлют и воспаряют на облаках субъективного мнения… Я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. У проблем воспроизведения звука есть вполне конкретные технические объяснения, и только неспособность их понять порождает слухи и суеверия. Впрочем, дабы не нервировать ярых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью – она вам только испортит нервы. Грешен, не стоит вмешиваться в божественное провидение.

Для остальных продолжим. Ах да, я пропустил третью категорию. Увы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда «лампового звучания» не прекращается, что и приводит к постоянному пополнению специалистов третьей категории. Господа, почаще стряхивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором «забивают бабки», в терминологии подобных бизнесменов. Принимайте свои решения самостоятельно. И никому не верьте, особенно мне.

Факторы, влияющие на качество звучания

Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.

Хотите естественного звучания? Есть только один способ - сходите на акустический концерт. Хороший зал, прекрасные исполнители – только это и может сформировать слух. Послышав правильное звучание можно понять, насколько нас дурят с этим «балалайками». Впрочем… а нет, извините, повторюсь – сходите на нормальный концерт. Без этого нельзя научиться понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.

Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения

Условно, «неприятности» можно разделить на следующие группы:
1. Искажение сигнала в усилителе.
2. Соединение с нагрузкой.
3. Влияние нагрузки.
4. Импеданс усилителя и работа динамика.

В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.

Искажение сигнала в усилителе

Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.

Виды искажений:
1. Нелинейные искажения.
2. Ограничение уровня.
3. Интермодуляционные.
4. Коммутационные.
5. Динамические.
6. Самовозбуждение.

Нелинейные искажения

Звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается. Ничего идеального не бывает, в полезный сигнал обязательно будут внесено то, что в нем не содержалось – шумы, искажения, помехи от блока питания и другие вредные субстанции, мешающие качественному восприятию звука. Однако - пока о частном.

Нелинейные искажения - увеличение спектра исходного сигнала путем добавления гармоник. Если взять чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождения усилителя в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составляющие K*F, где К = 2, 3, 4, 5…

Асимметрия

По виду, гармоники делятся на чётные и нечетные. Первые возникают при асимметрии сигнала. Ходят упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные … вот только руководящие материалы прошлого столетия дают весьма однозначные указания – вначале бороться с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. Асимметрия присуща всем элементам схемотехники усилителя, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.

В статье будет использоваться симуляция с помощью программы PSPICE, которая доказала достоверность выполняемых расчетов. Бывали случаи, когда расчеты в этой программе давали «странные» результаты и возникало желание свалить на ее внутренние ошибки, но после обнаружения тех же «странных» результатов в спаянной схеме невольно проникаешься доверием и уважением к разработчикам этого симулятора. Так что, простите, но я верю этой программе. Если у вас иное мнение, извините.

Если не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1 КГц, амплитудой 1 вольт (пиковое).

Итак, нелинейные искажения. При появлении асимметрии сигнала появляются четные гармоники.

Схема симуляции:



Асимметрия в схеме достигается установкой диода Шоттки. Контрольная тока «A» получена делителем R3, R4 c приведением уровня сигнала к амплитуде, близкой к исследуемому выходу «B».

На всех графиках этого раздела, зеленый – симулированный сигнал; красный – образцовый, с слегка пониженной амплитудой.

Форма сигнала:



Если в нижней части красная и зеленая линии почти совпадают, то в верхней начинает сказываться влияние диода и искаженный сигнал сильно обгоняет образцовый. То есть, положительная (выше уровня 0 V) и отрицательная полуволны не одинаковы, налицо явные признаки асимметрии.

Спектр:



У спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 кГц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четкая гребенка с максимумами на частотах 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 4 кГц…

Остановимся чуть подробнее. Первый пик на 1 кГц примерно такой же, что и для образцового сигнала – основная гармоника в обоих случаях с примерно равной амплитудой. Ну, это видно и визуально, они внешне похожи… если опустить тонкости, которые приводят к большому спектру гармоник. В образцовом сигнале есть только первая гармоника, а в симулированной цепи - с первой по десятую (вообще-то, спектр распространяется дальше 10 кГц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. А ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.

Возможно, вас смутил способ представления информации в программе. Обычно, когда представляют спектр, то рисуют «столбики» переменной высоты. Программа PSPICE рассчитывает напряжения и токи во всех узлах схемы для всего времени выполнения теста, зачастую с переменной дискретностью по времени. После этого производится преобразование временной последовательности в частотную методом FFT (Быстрое преобразование Фурье). Чем меньше дискретность вычисления точек по времени, тем выше точность перевода во временную область и корректнее анализ. Плата за это – время работы симулятора.

Со момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симуляцию стоит проводить в два этапа – вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить для получения более адекватных результатов. Для примера, повторим тест для обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):



Оба графика несут один и тот же смысл, но более долгий по времени обсчета (зеленый) график очевидно точнее.

Теперь схема для симметричной и нелинейной цепи:



Для симулирования нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Шоттки – по одному для положительной и отрицательной полуволн.

Форма сигнала:



Форма напряжения в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.

Спектр:



Посмотрите на предыдущий тест – если там были пики на частотах 1, 2, 3… 10 кГц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.

Ограничение уровня

Такой вид нелинейности вызывается нарушением монотонности сигнала. К ним относятся два случая:
Ступенька.
Насыщение.

Искажение типа «ступенька» свойственно усилителям класса В (или АВ) – при уменьшении уровня сигнала падает коэффициент передачи и сигнал просто исчезает. Подробнее механизм его возникновения будет рассмотрен во второй половине статьи.

Насыщение – может быть вызвано или ограничением, при очень большом уровне сигнала, либо срабатыванием защиты в усилителе по току или мощности.

Ступенька

Схема:



Подобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещения на базе регулирующего транзистора, поэтому для симуляции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.

Форма сигнала:



Обратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое время прохождение сигнала отсутствует. Если на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровня, то на симулированной цепи напряжение становится равным нулю. Чем меньше уровень сигнала, тем больше проявляется этот тип искажений, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала на выходе. Поэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. А иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений – при снижении уровня сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.

Спектр:



Искажения симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.

Насыщение

Схема



Ограничение уровня типа «насыщение». Довольно типичный случай, захотели погромче и получили «хрипы». Если схемы контроля обеспечивают «мягкое» ограничение уровня, то вид искажений будет отличаться от усилителей без подобной защиты. Но пока пройдемся по самой проблеме, без влезания в нюансы. Для симуляции подойдет всё та же пара диодов 1N4148, но в ином включении.

Форма сигнала:



Если при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напряжения 0.5 вольт характеризуется остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.

Спектр:



Картина похожа на случай с «ступенькой». При обоих вариантах появляются гармоники, меняется только характер их появления:
Для «ступеньки» степень искажения сигнала возрастает при уменьшении уровня сигнала.
У «насыщения» обратная закономерность – при низком или нормальном уровне сигнала схема не вносит искажений и только при большом начинают сказываться негативные явления.

Дефект насыщения присущ всем усилителям и с ним борются или режимом «мягкого ограничения» или дополнительным узлом регулировки усиления, который уменьшает громкость при обнаружении проблем с чрезмерным уровнем сигнала.


Интермодуляционные искажения


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».

Схема:



Форма сигнала:



Спектр:



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.

Схема:



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.

Форма сигнала:



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, порно зрелых мам порно-мама.com смотреть 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:



Как видно из графика, коэффициент усиления транзистора зависит от величины тока, проходящего через него. Если в усилителе не предусмотрены локальные обратные связи для ограничения коэффициента передачи, то общее усиление будет «плавать» от амплитуды сигнала. При должном запасе устойчивости - не беда, но… её повышение требует снижение усиления на высоких частотах, что прямо скажется на качестве звука – повысятся нелинейные искажения, особенно интермодуляционные. Этот запас «карман тянет», поэтому стараются добиться компромисса – и усиление не попортить, и устойчивость к самовозбуждению сохранить. Одно «но», многое зависит от разработчика.

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.

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.

Кроме внесения искажений, провода обладают конечным сопротивлением. Например, у одиночного провода сечением 1.5 мм2 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.



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

Когда говорят о нагрузке усилителя, динамической головке, колонке или наушниках, подразумевают их сопротивление по постоянному току. Отчасти это правильно, но лишь отчасти. Динамическая головка - механическое устройство и ей свойственна особенность ее происхождения – инерционность. По этому вопросу проводились исследования, была получена довольно интересная и простая рекомендация – усилитель должен обеспечивать нормальное функционирование при сопротивлении нагрузки в два раза меньше номинального значения.

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.

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:
Термоудар.
Низкая скорость нарастания выходного напряжения.

«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.

Для стабилизации тока порядка 0.1 А требуется выдержать между точками E-F напряжение 0.1*0.6= 0.06= 60 мВ. Напряжение источника питания должно быть больше 60 мВ на величину падения база-эмиттерных переходов транзисторов, участвующих в процессе, то есть Q2, Q3, Q4, Q5 - четыре штуки. Напряжение перехода порядка 0.6 вольта, к необходимым 0.06 В надо прибавить 4*0.6=2.4 вольта. Сравните целевое напряжение 0.06 с управляющим 2.4 В, это уже потенциальная проблема.

Но речь пока идет о термостабильности, поэтому перейдем к ней. Дело в том, что напряжение база-эмиттерного перехода, как и любого p-n перехода, зависит от его температуры. Примерный коэффициент описывается зависимостью -2 мВ на 1 градус. Это означает, что при сохранении прежнего тока и повышении температуры перехода его напряжение уменьшится на 2 мВ. Какая ерунда, два милливольта! Ан нет. Транзисторы в выходном каскаде нагреваются очень сильно, не зря же их устанавливают на радиаторы.

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?

Увы, компенсация весьма условна. Тепловой коэффициент источника примерно -2*4 = -8 мВ/градус, а нагреваются транзисторы выходного каскада неодинаково. Если с выходными Q4 и Q5 всё понятно, то с предыдущей ступенью, Q2 и Q3 ничего не ясно. С одной стороны, на них рассеивается небольшая тепловая мощность и их можно не устанавливать на радиатор. С другой, эта мощность не такая уж и маленькая, всего в 10-40 раз меньше, чем на транзисторах выходной ступени. Это важно, вернемся к этому позже, а пока поговорим о выходных транзисторах и источнике смещения.

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.

Ранее рассчитывалось, что ток покоя 0.1 ампера получался при напряжении 60 мВ, его и пытается поддерживать термокомпенсация источника смещения на транзисторе Q1. Одно «но» – температура Q1 еще «долго» останется прежней, а вот выходные транзисторы Q4, Q5 уже остыли «в два раза». По сравнению с ранее установившейся тепловой стабильностью разница температур составила 20 градусов или -2*20*2 = -80 мВ. Складываем с 60 мВ, которые поддерживает схема смещения и получаем 60-80=-20 мВ. То есть транзисторы ушли в отсечку с нулевым током покоя. Это и называется термоудар – при медленном изменении выходной мощности система работает корректно, а резкие смены режимов работы вызывают ухудшение свойств усилителя.

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.


Импеданс усилителя и демпфирование динамика


Усилитель работает не в вакууме, он нагружается на динамическую головку (или звуковую колонку из нескольких динамиков). Рассматривать одно без другого было бы ошибочным. Качество работы усилителя зависит от того, что представляет собой нагрузка, но верно и обратное – функционирование динамика зависит от усилителя.

Для упрощения рассуждений предположим, что усилитель нагружен на один динамик без каких-либо фильтров и согласующих элементов, соединительные провода минимальной длины, достаточного сечения и качества исполнения. Надуманная ситуация? Отнюдь, существуют же активные колонки для воспроизведения только низких частот.

Поговорим немного о динамической головке. Зачастую, из электрических характеристик указывается только её номинальное сопротивление, но это же далеко не всё! Эффективность или отдача, эквивалентный объем, частота механического резонанса, его добротность… много чего полезного остается за кадром. Обратим внимание на такую характеристику, как добротность – она состоит из механической и электрической составляющих.

Механическая зависит от эластичности подвеса диффузора, его веса и сопутствующего объема воздуха и изменена быть не может. Вообще говоря, может применяться акустическое демпфирование, но не стоит на это сильно рассчитывать. А вот другая составляющая, электрическая добротность, зависит от выходного сопротивления усилителя. Если динамическая головка не слишком удачно подходит для выбранного акустического оформления, то изменением электрического демпфирования (выходным сопротивлением усилителя) можно немного подправить дело.

Основной источник проблемы – механическая система излучателя, у которой есть резонанс в самом начале низкочастотного диапазона рабочей полосы частот. Если по диффузору легонько стукнуть, то он издаст звук низкой частоты, причем основные колебания будут на частоте механического резонанса, длительность самого звучания будет зависеть от добротности. Есть такое понятие «призвук» – вот это оно и есть, когда динамик продолжает издавать звук уже после того, как электрически звук должен был прекратиться. Для изменения величины призвука можно варьировать выходное сопротивление усилителя.

Для симулирования используется следующая модель:



Гирлянда элементов L2… R22 в центральной части схемы эмулируют низкочастотную динамическую головку диаметром 25 см.

Графики: красный – выходное напряжение усилителя, зеленый – реактивная составляющая динамической головки. Увы, электрическая модель слабо соотносится с акустической, поэтому в тесте интересны общие закономерности, а не конкретные численные вычисления и правильность воспроизведения. Очень трудно совместить графики с настолько различными условиями работы, поэтому параметры подбирались так, чтобы амплитуда зеленого графика (реактивная часть динамика) оставалась постоянной, 1 вольт.

Вначале обычный режим, точка соединения R29 и C7 соединяется с землей, что переводит усилитель в обычный режим работы.



Ничего необычного, на вход усилителя подается прямоугольный сигнал, он же получается на выходе. Изменим условия игры, соберем схему так, как на рисунке – при этом появится ПОС («положительная обратная связь») по току нагрузки и выходное сопротивление усилителя станет отрицательным.

Форма сигнала для схемы с отрицательным выходным сопротивлением:



Различия видны невооруженным взглядом – на выходе усилителя напряжение уже не столь похоже на требуемое, фронты претерпели существенное изменение. Идея здесь в том, что если механическая система динамика резко увеличивает отдачу на резонансной частоте, то надо так формировать форму напряжения, чтобы на резонансной частоте оно было соответствующе понижено. В результате, при излучении произойдет взаимная компенсация и звуковая картинка будет восприниматься корректнее.

Рассмотрим и третий вариант, с большим выходным сопротивлением. Обычно у усилителя очень низкое выходное сопротивление, но что мешает его увеличить? Нет, банальная установка дополнительного последовательного резистора между выходом усилителя и динамиком использоваться не будет, для этого просто следует откорректировать принцип обратной связи. Конкретно – обратную связь надо брать не с выхода усилителя, а с резистора, включенного последовательно с динамиком в цепь «земля» (резистор R28). При этом выходное сопротивление усилителя станет очень большим.

Форма сигнала для схемы с токовым выходом:



М-да. Форма выходного напряжения получила явный колебательный характер, как и напряжение на реактивной части модели динамика.

Теперь сравните характер поведения зеленого графика для всех трёх случаев – как видите, можно оказывать влияние на время колебаний динамика, а значит, подстройкой работы усилителя регулировать время призвука, обычную «болезнь» динамиков большого диаметра.

Когда говорят об усилителе, то, кроме демпфирования, представляет интерес еще один момент – нагрев катушки. Динамическая головка преобразует электрическое воздействие в механическое перемещение диффузора с помощью катушки, которая перемещается в магнитном зазоре. Последняя наматывается медным проводом и при нагреве должна увеличивать свое сопротивление. Это актуально? Проверим.

Для теста использован советский динамик с неизвестной маркировкой (похожий на 4ГД8Е) и «китайский» вкладной наушник «за 100 рублей». Издеваться над хорошими вещами мне совершенно не хочется, а полученные результаты интересуют больше как тенденции, потому элементная база не столь важна.

Для измерения девиации сопротивления динамика от мощности можно строить схему по принципу: генератор сверхнизких и высоких частот + усилитель + динамик + микрофон, в результате получаются неинформативные картинки с сильным эмоциональным подтекстом. Нет уж. Нудно и некачественно. Сделаем иначе – снимем напряжение на датчике тока при подаче на динамик фиксированного напряжения постоянного тока. При этом сразу можно будет оценить и величину изменения сопротивления и скорость этого изменения (время теплового процесса).

Динамик:



Время переходного процесса порядка трёх секунд, изменение (увеличение) от нагрева составило 1/5 номинального сопротивления.

Наушник (15 Ом):



Время переходного процесса здесь меньше, порядка 0.7 секунды, а вот девиация сопротивления порядка 1/8. Но здесь необходимо пояснение, измерения проводились при напряжении на наушнике около 3 В. Вы слушали когда-нибудь подобный наушник при напряжения, близких к этому? При положительном ответе я начну завидовать, если после этого вы сохранили слух. У меня с этим беда, для тестового наушника нормальный уровень громкости получился при напряжении 0.3 вольта. Если повторить тест измерения на нагрев для напряжения 0.3 вольта, то девиация сопротивления вообще не должна быть заметна, ведь тепловая мощность уменьшится в 100 раз. Поэтому график для пониженного напряжения не приводится, смысла в нем нет.

Если по наушникам всё сильно запутано, то по динамикам довольно прозрачно. Их катушка нагревается и сопротивление возрастает. Причем, тест производился над советской динамической головкой, современные динамические головки обладают более «мощными» характеристиками при примерно таком же исполнении, в чём подвох?

Всё просто, материал изоляции провода и каркас катушки выполняется из материалов с повышенной теплостойкостью, что обеспечивает им большую рабочую мощность. По некоторым данным, в профессиональных динамиках катушка нагревается до 190-200 градусов. А что, довольно логично, я встречал обсуждения в конференциях вопросов вида – нормально ли, что магнитная система нагревается выше 60 градусов? Тепловое сопротивление медной обмотки меняется порядка 0.4 процента на каждый градус нагрева, далее простые расчеты.

В моем тесте динамика температура катушки вряд ли превысила 100 градусов по Цельсию, скорее не было и шестидесяти. Это означает, что сопротивление динамика может меняться значительно больше, чем на 1/5 номинального сопротивления. Впрочем, многое зависит и от слушателя – если не возникает желания озвучивать стадион, то сия проблема не столь актуальна. Хотя, есть применения типа ЭМОС, и там сложности умножаются.

Для среднечастотных динамических головок свойственна другая проблема, но со схожими последствиями. При колебании диффузора катушка перемещается вдоль магнитного зазора, со всеми его неоднородностями, что несколько меняет ее индуктивность. Если подать на динамик пару сигналов, низкой и высокой частоты, то низкочастотная составляющая будет сдвигать диффузор, и катушка будет смещаться в магнитном зазоре, что приведет к изменению ее индуктивности. В сильно упрощенной форме, эквивалентная схема динамической головки представляется в виде последовательного соединения активного сопротивления и индуктивности катушки. Для низких частот импеданс головки будет определяться активным сопротивлением, но на высоких частотах уже начнет сказываться собственная индуктивность катушки.

Коль скоро эта индуктивность не постоянна во времени, то и ток через катушку не останется постоянным, что означает интермодуляционные искажения. По некоторым разрозненным данным, собственная индуктивность катушки может меняться на 10-30 процентов, в зависимости от конструкции динамика. Это приведет к уровню интермодуляционных искажений 5-12 процентов. Подробнее этот вопрос рассмотрен в работе «Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?», автор С. Агеев.

Чтобы не быть совсем уж голословным, простенькая проверка – возьмем тот же тестовый динамик и подадим на него постоянный ток, который вызовет смещение диффузора, после чего останется только измерить его индуктивность.

В моем случае динамик показал изменение индуктивности на 4 процента при подаче постоянного тока, соответствующего 25 процентам номинальной мощности. При одной полярности тока следовало увеличение индуктивности, при другой – уменьшение. Если же убрать управление током и просто нажать пальцем на диффузор, то индуктивность возрастет в 1.7 раза, а обратный процесс приводит к ее уменьшению до 0.8 от первоначального варианта. Замеры индуктивности проводились с использованием прибора Е7-8, на частоте 10 кГц.

Заметность искажений

Проверка усилителя дает численную характеристику «коэффициент гармоник», но отражает ли она реальное качество звучания? С одной стороны, это объективный параметр и при малом значении подразумевает неплохое качество звука. Так, что же характеризует коэффициент гармоник? Вообще-то, «сферического коня», увы. Важен не только уровень искажений, вносимый усилителем, но его состав и частотный диапазон.

Человек воспринимает разную частоту звука с различной чувствительностью, наибольшая восприимчивость приходится на диапазон средних частот, 0.5-1 кГц, выше и ниже чувствительность падает. Хуже другое, на этих зависимостях сказывается уровень звука – при уменьшении громкости низкие и высокие частоты воспринимаются хуже. Для устранения этого эффекта, в нормальных усилителях в регулятор громкости встраивают тонкомпенсацию.

Кривые равной громкости:



Второй момент со схожей проблемой – большая часть мощности спектра типичных источников (фильмы, музыка) приходится на низкие частоты. Чтобы не загромождать статью не самой второстепенной информацией, ознакомиться с распределением энергии можно в статье «Спектр музыкального сигнала». В зависимости от частот разделения, для звуковой колонки на базе НЧ, СЧ и ВЧ динамических головок, принято распределять их мощность как 70%, 50% и 30% от полной. Или можно воспользоваться методикой из той же статьи:



Давайте возьмем абстрактный усилитель с уровнем гармоник 0.01 процента. Предположим, данная цифра была получена измерением уровня искажений классическим способом - на частоте 1 кГц и с номинальным уровнем громкости. Неплохой усилитель?… Но продолжим анализ. Основную часть времени усилитель работает при низкой или очень низкой громкости, поэтому измерения на номинальной мощности не являются столь уж значимыми. Обычно при снижении уровня сигнала относительный уровень гармоник повышается. Больше или меньше, но все транзисторные усилители класса AB страдают эффектом «ступеньки».

Предположим, сей абстрактный усилитель был спроектирован достойно, а потому уменьшение уровня не привело к катастрофической деградации свойств и уровень гармоник повысился всего до 0.1 процента. Чтобы не быть голословным, обратимся к довольно распространенному интегральному усилителю TDA2050:



Повысился уровень искажений, но ведь это относительный уровень и он не так заметен, как при полной громкости. Впрочем нет, если в комнате долго тихо, то происходит эффект адаптации и чувствительность восстанавливается. Проблема в другом, если у усилителя большой спектр гармоник (спектр, а не уровень!), то основной сигнал не может «замаскировать» все гармоники и они могут стать заметными. Давайте проанализируем заметность искажений для сигнала трех диапазонов – низкие частоты (до 200 Гц), средние и высокие (выше 5 кГц).

Низкие и сверхнизкие частоты характерны тем, что ухо их воспринимает не как звук, а скорее как вибрацию. Поэтому, «заметность» их низкая. Но, хотя их не так отчетливо слышно, это вовсе не означает, что они не приносят проблем. Искажения в динамической головке из-за ограниченной механической прочности диффузора и неоднородности магнитного поля в зазоре магнитопровода можно опустить, речь идет о более простых вещах – в этой полосе частот рассеивается бо́льшая часть всей мощности, что означает значительную амплитуду сигнала.

Отягощает ситуацию то, что сам сигнал данной частоты плохо слышен и не может маскировать собственные искажения высокого порядка. Прикинем, что будет с искажениями. Возьмем частоту сигнала 100 Гц, характерную для низкочастотных колонок, при низком уровне громкости. Это означает коэффициент гармоник порядка 0.1 процента. Положим, тестовой усилитель хороший, только со спектром искажений, характерным для интегральных решений – четверть искажений приходится на гармоники высокого порядка (с номером 5 и больше).

Расклад следующий – порядка 0.05 процента искажений приходится на частоты 0.5-2 кГц, которые «слышны» в 2-5 раз лучше. Кроме того, я не зря говорил о низком уровне громкости и тонкомпенсации – из-за последнего низкие частоты поднимаются в 5-15 раз… что увеличивает и их сопутствующие искажения в той же пропорции. Если всё просуммировать, то уровень искажений можно разбить на две составляющие:
С низким номером гармоник, порядка 0.07 процента, они частично маскируются полезным сигналом.
С высоким уровнем гармоник, порядка 0.05 процента. Они плохо маскируются и хорошо прослушиваются в среднечастотном диапазоне. Если перевести с учетом тонкомпенсации и «слышимости», то их уровень будет порядка 0.05*3*10=1.5 процента.

Вывод – для низкочастотного звена лучше делать отдельный усилитель.

Средние частоты характеризуются высокой восприимчивостью человеческого уха, поэтому и полезный сигнал, и гармоники одинаково заметны, при расчетах переводить в «слышимость» нужды не возникает.

В высокочастотной части спектра звукового диапазона вроде бы всё просто – гармоники выше 20 кГц не слышны. Что ж, с ними и не нужно бороться? Отнюдь, появление искажений в ультразвуковом диапазоне приводит к двум последствиям:
Возникает помеха высокой частоты, которую старается устранить общая обратная связь усилителя. Как следствие, появляются наведенные искажения из-за изменения условий работы входного каскада.
Сами искажения не слышны, но факт их появления влияет на амплитуду первой гармоники (полезный сигнал), что воспринимается ухом как «странное» плавание уровня. Обычно, величина гармоник на верхнем диапазоне зависит от сопутствующих факторов – уровня и характера высокочастотных и низкочастотных составляющих, и при медленном изменении уровня происходит как бы скачкообразная модуляция громкости высоких частот.


Материал с сайта overclockers.ru
      
Автор
Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)
Время: 12.09.2011 05:42 
Москва
bass gtr

прочитал три раза .

непонятным осталось только одно : жать -то куда ?
alex●bass●gtr
Автор
Тема: Re: Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)
Время: 20.01.2012 21:30 
Москва
Гитара

Глазами пробежал,статью не читал. +1 в первому посту! Выход из ситуаций каков??
В этот форум могут писать только зарегистрированные пользователи!