RSS
¬ы не зарегистрированы –егистраци€ | ѕоиск | ¬ойти

—татьи

 

”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)

¬рем€: 04.08.2011 00:25 
¬ведение

«наете, очень хочетс€ слушать музыку в хорошем качестве. ЂЅалалайкиї с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хот€ медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. ƒумаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое врем€ интересовались колонками и усилител€ми, не минула чаша си€ и мен€.   сожалению, € не €вл€юсь профессионалом в этой области, поэтому суждени€ в статье могут быть не слишком удачными и значительна€ их часть €вл€етс€ лично моими наблюдени€ми, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.

Ћампы, бескислородна€ медь и прочее

Ћюбители акустики дел€тс€ на две (скорее три) категории Ц техники и Ђслухачиї. ѕервые понимают только цифры, вторые цифирные упражнени€ не приемлют и воспар€ют на облаках субъективного мнени€Е я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. ” проблем воспроизведени€ звука есть вполне конкретные технические объ€снени€, и только неспособность их пон€ть порождает слухи и суевери€. ¬прочем, дабы не нервировать €рых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью Ц она вам только испортит нервы. √решен, не стоит вмешиватьс€ в божественное провидение.

ƒл€ остальных продолжим. јх да, € пропустил третью категорию. ”вы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда Ђлампового звучани€ї не прекращаетс€, что и приводит к посто€нному пополнению специалистов третьей категории. √оспода, почаще стр€хивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором Ђзабивают бабкиї, в терминологии подобных бизнесменов. ѕринимайте свои решени€ самосто€тельно. » никому не верьте, особенно мне.

‘акторы, вли€ющие на качество звучани€

ѕопробуем разобратьс€, что оказывает вли€ние на качество звучани€. “очнее, на то, что его портит. ¬ статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.

’отите естественного звучани€? ≈сть только один способ - сходите на акустический концерт. ’ороший зал, прекрасные исполнители Ц только это и может сформировать слух. ѕослышав правильное звучание можно пон€ть, насколько нас дур€т с этим Ђбалалайкамиї. ¬прочемЕ а нет, извините, повторюсь Ц сходите на нормальный концерт. Ѕез этого нельз€ научитьс€ понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.

Ќо певец из мен€ никакой, поэтому перейдем сразу к технике. —уществует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. »менно потому нельз€ просто сесть и спа€ть нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) Ц проблемы решаютс€ по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. ѕопробуем разобратьс€ с основными заблуждени€ми и атавизмами, с технической точки зрени€

”словно, Ђнепри€тностиї можно разделить на следующие группы:
1. »скажение сигнала в усилителе.
2. —оединение с нагрузкой.
3. ¬ли€ние нагрузки.
4. »мпеданс усилител€ и работа динамика.

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

»скажение сигнала в усилителе

»скажени€ бывают линейные и нелинейные. ѕервое Ц просто изменение частотного спектра сигнала без искажени€ его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. ¬ообще-то, даже изменение спектра мен€ет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Ќелинейные искажени€ Ц это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. ѕро линейные искажени€ можно не беспокоитьс€, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо порт€т воспри€тие звуковой картинки.

¬иды искажений:
1. Ќелинейные искажени€.
2. ќграничение уровн€.
3. »нтермодул€ционные.
4.  оммутационные.
5. ƒинамические.
6. —амовозбуждение.

Ќелинейные искажени€

«вуковой сигнал проходит через усилитель, увеличиваетс€ по амплитуде и искажаетс€. Ќичего идеального не бывает, в полезный сигнал об€зательно будут внесено то, что в нем не содержалось Ц шумы, искажени€, помехи от блока питани€ и другие вредные субстанции, мешающие качественному воспри€тию звука. ќднако - пока о частном.

Ќелинейные искажени€ - увеличение спектра исходного сигнала путем добавлени€ гармоник. ≈сли вз€ть чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождени€ усилител€ в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составл€ющие K*F, где   = 2, 3, 4, 5Е

јсимметри€

ѕо виду, гармоники дел€тс€ на чЄтные и нечетные. ѕервые возникают при асимметрии сигнала. ’од€т упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные Е вот только руковод€щие материалы прошлого столети€ дают весьма однозначные указани€ Ц вначале боротьс€ с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. јсимметри€ присуща всем элементам схемотехники усилител€, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.

¬ статье будет использоватьс€ симул€ци€ с помощью программы PSPICE, котора€ доказала достоверность выполн€емых расчетов. Ѕывали случаи, когда расчеты в этой программе давали Ђстранныеї результаты и возникало желание свалить на ее внутренние ошибки, но после обнаружени€ тех же Ђстранныхї результатов в спа€нной схеме невольно проникаешьс€ доверием и уважением к разработчикам этого симул€тора. “ак что, простите, но € верю этой программе. ≈сли у вас иное мнение, извините.

≈сли не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1  √ц, амплитудой 1 вольт (пиковое).

»так, нелинейные искажени€. ѕри по€влении асимметрии сигнала по€вл€ютс€ четные гармоники.

—хема симул€ции:



јсимметри€ в схеме достигаетс€ установкой диода Ўоттки.  онтрольна€ тока ЂAї получена делителем R3, R4 c приведением уровн€ сигнала к амплитуде, близкой к исследуемому выходу ЂBї.

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

‘орма сигнала:



≈сли в нижней части красна€ и зелена€ линии почти совпадают, то в верхней начинает сказыватьс€ вли€ние диода и искаженный сигнал сильно обгон€ет образцовый. “о есть, положительна€ (выше уровн€ 0 V) и отрицательна€ полуволны не одинаковы, налицо €вные признаки асимметрии.

—пектр:



” спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 к√ц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четка€ гребенка с максимумами на частотах 1 к√ц, 2 к√ц, 3 к√ц, 4 к√цЕ

ќстановимс€ чуть подробнее. ѕервый пик на 1 к√ц примерно такой же, что и дл€ образцового сигнала Ц основна€ гармоника в обоих случа€х с примерно равной амплитудой. Ќу, это видно и визуально, они внешне похожиЕ если опустить тонкости, которые привод€т к большому спектру гармоник. ¬ образцовом сигнале есть только перва€ гармоника, а в симулированной цепи - с первой по дес€тую (вообще-то, спектр распростран€етс€ дальше 10 к√ц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. ј ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.

¬озможно, вас смутил способ представлени€ информации в программе. ќбычно, когда представл€ют спектр, то рисуют Ђстолбикиї переменной высоты. ѕрограмма PSPICE рассчитывает напр€жени€ и токи во всех узлах схемы дл€ всего времени выполнени€ теста, зачастую с переменной дискретностью по времени. ѕосле этого производитс€ преобразование временной последовательности в частотную методом FFT (Ѕыстрое преобразование ‘урье). „ем меньше дискретность вычислени€ точек по времени, тем выше точность перевода во временную область и корректнее анализ. ѕлата за это Ц врем€ работы симул€тора.

—о момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симул€цию стоит проводить в два этапа Ц вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить дл€ получени€ более адекватных результатов. ƒл€ примера, повторим тест дл€ обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):



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

“еперь схема дл€ симметричной и нелинейной цепи:



ƒл€ симулировани€ нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Ўоттки Ц по одному дл€ положительной и отрицательной полуволн.

‘орма сигнала:



‘орма напр€жени€ в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.

—пектр:



ѕосмотрите на предыдущий тест Ц если там были пики на частотах 1, 2, 3Е 10 к√ц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.

ќграничение уровн€

“акой вид нелинейности вызываетс€ нарушением монотонности сигнала.   ним относ€тс€ два случа€:
—тупенька.
Ќасыщение.

»скажение типа Ђступенькаї свойственно усилител€м класса ¬ (или ј¬) Ц при уменьшении уровн€ сигнала падает коэффициент передачи и сигнал просто исчезает. ѕодробнее механизм его возникновени€ будет рассмотрен во второй половине статьи.

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

—тупенька

—хема:



ѕодобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещени€ на базе регулирующего транзистора, поэтому дл€ симул€ции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.

‘орма сигнала:



ќбратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое врем€ прохождение сигнала отсутствует. ≈сли на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровн€, то на симулированной цепи напр€жение становитс€ равным нулю. „ем меньше уровень сигнала, тем больше про€вл€етс€ этот тип искажений, вплоть до полного исчезновени€ полезного сигнала на выходе. ѕоэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. ј иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений Ц при снижении уровн€ сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.

—пектр:



»скажени€ симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.

Ќасыщение

—хема



ќграничение уровн€ типа Ђнасыщениеї. ƒовольно типичный случай, захотели погромче и получили Ђхрипыї. ≈сли схемы контрол€ обеспечивают Ђм€гкоеї ограничение уровн€, то вид искажений будет отличатьс€ от усилителей без подобной защиты. Ќо пока пройдемс€ по самой проблеме, без влезани€ в нюансы. ƒл€ симул€ции подойдет всЄ та же пара диодов 1N4148, но в ином включении.

‘орма сигнала:



≈сли при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напр€жени€ 0.5 вольт характеризуетс€ остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.

—пектр:



 артина похожа на случай с Ђступенькойї. ѕри обоих вариантах по€вл€ютс€ гармоники, мен€етс€ только характер их по€влени€:
ƒл€ Ђступенькиї степень искажени€ сигнала возрастает при уменьшении уровн€ сигнала.
” Ђнасыщени€ї обратна€ закономерность Ц при низком или нормальном уровне сигнала схема не вносит искажений и только при большом начинают сказыватьс€ негативные €влени€.

ƒефект насыщени€ присущ всем усилител€м и с ним борютс€ или режимом Ђм€гкого ограничени€ї или дополнительным узлом регулировки усилени€, который уменьшает громкость при обнаружении проблем с чрезмерным уровнем сигнала.


»нтермодул€ционные искажени€


ƒо этого рассматривались случаи с одним источником сигнала синусоидальной формы, но в реальном звуковом р€де масса гармоник с далеко не синусоидальной формой. ≈сли в усилителе присутствуют цепи с нелинейной проводимостью (а они гарантированно есть, откуда же берутс€ искажени€?), и звуковой сигнал содержит несколько частот, то в результате получаетс€ множество гармоник с вариаци€ми оригинальных частот, умноженными на коэффициенты 2,3,4...

ƒл€ этой симул€ции параметры сигнала несколько модифицированы Ц в исследуемый сигнал добавлена втора€ компонента с другой частотой, да и сами значени€ изменились, 100 √ц и 2  √ц. —ама схема осталась прежней, той же, что использовалась дл€ проверки дефекта Ђступенькиї.

—хема:



‘орма сигнала:



—пектр:



—равните эту симул€цию с ранее рассмотренной Ђступенькойї. ѕо картинке нагл€дно видно, что интермодул€ционные искажени€ смотр€тс€ хуже всего, бывшего ранее Ц спектр огромен, присутствуют самые разнообразные вариации множителей частот F1 и F2.

 оммутационные искажени€

–анее рассматривались довольно абстрактные типы искажений, свойственные различным электронным компонентам. Ќо каждому типу усилительных элементов присущи какие-то свои специфические моменты, которые могут оказать негативное вли€ние на качество работы. ƒл€ бипол€рных транзисторов одним из таких свойств €вл€етс€ низкое быстродействие, про€вл€ющеес€ в большом времени выключени€.

—пецифической особенностью работы транзисторов €вл€етс€ накопление зар€да неосновных носителей в активном состо€нии. ƒл€ выключени€ транзистора (или просто резкого снижени€ тока) необходимо вывести этот зар€д, что требует наличие элементов отвода тока из базы и, вообще говор€, занимает весьма приличный интервал времени. ѕри конструировании усилителей стараютс€ избежать перевода транзисторов в отключенное состо€ние, но в выходном каскаде часто об этом забывают. ѕричем, этой Ђзабывчивостьюї страдают и высококачественные усилители с достойной репутацией.

—хема:



Ќа первый взгл€д, схема ничем особенным не выдел€етс€, разве что отсутствует смещение между базами Q1 и Q2, но присмотримс€ внимательнее Ц резисторы R10 и R11 запирают выходные транзисторы в те моменты, когда они должны быть выключены. ¬ыходной каскад класса ¬, то есть проводит либо верхний (Q3), либо нижний (Q4) транзистор, в зависимости от пол€рности выходного напр€жени€. ¬ модели номиналы резисторов R10, R11 выбраны заведомо большей величины, что затрудн€ет рассасывание зар€да и транзистор выключаетс€ продолжительное врем€. –анее в симул€ци€х было рассмотрено напр€жение в контрольных точках, но в данном тесте гораздо больший интерес несет ток выходных транзисторов.

‘орма сигнала:



¬озьмем центральный участок. ¬ момент перехода напр€жени€ через ноль ток верхнего транзистора (красный график) уменьшаетс€, но недостаточно быстро Ц нижний транзистор начинает открыватьс€ раньше, чем успел рассосатьс€ зар€д из верхнего транзистора.  ак следствие Ц существует небольшое врем€, когда оба транзистора наход€тс€ в провод€щем состо€нии. ¬ообще-то, дл€ усилителей это состо€ние считаетс€ нормальным, вспомните о классе ј, порно зрелых мам порно-мама.com смотреть но не в данном случае. «акрывание транзистора идет не плавно, а резко и бесконтрольно (ограничено временем и характером рассасывани€ зар€да), что вызывает необходимость адекватной реакции схемы управлени€ дл€ формировани€ компенсирующего тока.

Ёто тоже было бы нормально, но такой режим работы (высока€ частота) возникает на очень небольшой интервал времени. ”вы, общее усиление всего усилител€ об€зано уменьшатьс€ с ростом частоты, иначе пострадает устойчивость или все свалитс€ в самовозбуждение. ѕоэтому точной компенсацией мешающего тока рассасывани€ одного транзистора нельз€ полностью скомпенсировать другим плечом и в этот момент по€витс€ Ђщелчокї. ¬от так и возникают коммутационные помехи.

—амовозбуждение

¬ысококачественный усилитель должен хорошо воспроизводить как низкие, так и высокие частоты звукового диапазона, что требует большого быстродействи€ и запаса усилени€ в рабочей полосе, котора€ простираетс€ дальше слышимого диапазона частот 20-20000 √ц. ≈сли с низкими частотами обычно проблем не бывает, то расширение полосы в высокочастотную область вызывает трудности.

Ћюбой активный (как и реактивный) элемент вызывает задержку распространени€ сигнала.  ак следствие, при повышении частоты начинает накапливатьс€ фазовый сдвиг и как только достигаетс€ 180 градусов, то следует самовозбуждение и усилитель превращаетс€ в генератор. ƒл€ борьбы с этим дефектом в любом усилителе ограничивают коэффициент усилени€ на высоких частотах. »де€ заключаетс€ в том, что генераци€ возникнет только в том случае, если при критическом сдвиге фазы общее усиление цепи будет больше единицы, то есть цепь получает усиление на этой частоте.

ѕри коэффициенте передачи меньше единицы, цепь ослабл€ет сигнал и самовозбуждение невозможно. ѕон€тно, что разработчик схемы не допустит банального возбуждени€ усилител€, схема будет спроектирована должным образом. ЌоЕ кроме Ђтупойї генерации существует неустойчивое возбуждение. ѕовторюсь, критерий устойчивости состоит в обеспечении низкого коэффициента передачи на критически высоких частотах, но само пон€тие Ђкоэффициент передачиї величина непосто€нна€, на него оказывает вли€ние множество факторов и он может несколько мен€тьс€ в зависимости от характера и уровн€ сигнала. ”силитель, в основном, состоит из транзисторов, а дл€ них одной из важнейших характеристик выступает коэффициент передачи тока hFE:



 ак видно из графика, коэффициент усилени€ транзистора зависит от величины тока, проход€щего через него. ≈сли в усилителе не предусмотрены локальные обратные св€зи дл€ ограничени€ коэффициента передачи, то общее усиление будет Ђплаватьї от амплитуды сигнала. ѕри должном запасе устойчивости - не беда, ноЕ еЄ повышение требует снижение усилени€ на высоких частотах, что пр€мо скажетс€ на качестве звука Ц повыс€тс€ нелинейные искажени€, особенно интермодул€ционные. Ётот запас Ђкарман т€нетї, поэтому стараютс€ добитьс€ компромисса Ц и усиление не попортить, и устойчивость к самовозбуждению сохранить. ќдно Ђної, многое зависит от разработчика.

≈сли 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 самовозбуждатьс€. ѕричем, особо непри€тно то, что генераци€ будет небольшое врем€ и только при некоторых стечени€х обсто€тельств. „аще всего Ц при резком изменении уровн€ или характера сигнала, особенно при наличии высокочастотных составл€ющих. —ами всплески высокочастотной генерации не слышны, но их наличие вызывает изменение режима работы усилительных каскадов, что приводит к нелинейным искажени€м.

» особо печально, что обща€ обратна€ св€зь не может устранить деструктивные последстви€ самовозбуждени€, ведь ќќ— уже не работает на таких частотах. ”вы, дефект возникает достаточно часто и о нЄм надо помнить.

—оединение с нагрузкой

”силитель сам по себе звуковые волны излучать не может, дл€ этого используютс€ динамические головки или наушники. ќ самих динамиках речь пойдет позже, пока же поговорим о том, что соедин€ет их с усилителем Ц о проводах.

’от€, € немного поторопилс€, кроме проводов существует еще несколько вещей, которые могут испортить звучание Ц пайка и разъемное соединение.

ѕайка Ц соединение медных проводников с помощью м€гкого припо€. — одной стороны, это самый надежный способ соединени€ проводников, с другой Ц переход медь-припой обладает некоторым эффектом полупроводника, сопротивление соединени€ может немного (совсем чуть-чуть) мен€тьс€ от направлени€ и силы тока, частоты сигнала. ƒл€ уменьшени€ такого дефекта надо сматывать проводники один на другой, и уж затем пропитывать припоем. „ем лучше смотаны проводники до пайки, тем меньший вред нанесет припой.

–азъем, как средство соединени€, хуже пайки. Ќо в р€де случаев без него не обойтись, особенно при соединении автономных конструкций или необходимости переключени€ цепей. —обственно, какие-либо Ђособыеї рекомендации дать трудно, качество соединени€ зависит не только от формы и покрыти€ контактирующих поверхностей, испортить хорошую вещь можно чем угодно. ќдно точно известно Ц силовые разъемы это зло.

ѕроводаЕ и это самое интересное, остановимс€ подробнее.

ћедные провода тоже обладают эффектом полупроводника и внос€т искажени€ в передаваемый сигнал. — данным дефектом можно боротьс€ схемотехнически (большим выходным сопротивлением усилител€), но лучше использовать специальные сорта меди с низким содержанием примесей, привод€щих к Ђполупроводниковомуї эффекту, например, так называемую Ђбескислороднуюї медь.

 роме внесени€ искажений, провода обладают конечным сопротивлением. Ќапример, у одиночного провода сечением 1.5 мм2 и длиной 3 метра сопротивление пор€дка 0.08 ќм. ѕолученна€ цифра не впечатл€ет, при подключении колонки 4 ќм таким проводом, на нем потер€етс€ всего два процента напр€жени€ (четыре процента мощности). ’уже другое, эти 0.08 ќм суммируютс€ с выходным сопротивлением усилител€, что изменит степень электрического демпфировани€ динамических головок.

¬прочемЕ есть еще один подводный камень, про который все почему-то забывают. ѕри повышении частоты сигнала, передаваемого по проводу, начинает действовать волнова€ природа и возникает эффект вытеснени€ зоны проводимости в поверхностные слои проводника. ≈сли провод не монолитный и состоит из множества тонких проволочек, то этот дефект не про€вл€етс€? ќтнюдь! ≈сли проводники электрически не изолированы друг от друга, то магнитные пол€ складываютс€, и электрический ток начинает течь по внешним сло€м только тех проволочек, что наход€тс€ снаружи. «ачастую, качественные кабели не только делают из изолированных проволочек, но и с пустой центральной частью Ц с диэлектрическим заполнителем.

ѕон€тное дело, что основна€ вредоносность этого эффекта про€вл€етс€ в импульсных блоках питани€ и других узлах с высокочастотной коммутацией. “акже его про€влени€ есть и в обычной св€зи Ђусилитель-колонкаї Ц если на посто€нном токе и не высокочастотном сигнале сопротивление провода останетс€ 0.08 ќм, то на верхней границе частотного диапазона сопротивление возрастет. Ёто было бы не так страшно, только Ђутоньшениеї провода на высоких частотах приведет к большей заметности полупроводникового эффекта.

  чему это €? ¬сЄ просто Ц качественна€ бескислородна€ медь зачастую выполн€етс€ в виде жгута изолированных мелких проволочек. Ќе знаю, насколько повышает качество звучани€ отсутствие кислорода в меди, но вот устранение дефектов от вли€ни€ эффекта Ђскин-сло€ї прослеживаетс€ весьма четко и может быть легко измерено.



¬ заключение этого раздела хотел бы специально обратить внимание Ц качество пайки и соединительных проводников важно только при протекании большого тока через них. ƒл€ сигнальных цепей применение особо качественных проводников или пайка припоем с высоким содержанием серебра не дадут никакого положительного эффекта.

„то до разъемов, то с ними всЄ сложнее. Ћюбое коммутационное устройство (разъем, реле и прочее) проектируетс€ как на максимальный ток, что очевидно, так и на минимальный. ѕоследнее требование вызвано примен€емым покрытием контактной группы. ≈сли на какое-то соединительное устройство не указан минимальный ток, то это вовсе не означает, что его нет Ц просто производитель Ђзабылї указать сей параметр. ѕо возможности, используйте пайку, даже Ђвинтовоеї соединение не гарантирует отсутствие окисла под контактами. Ќе забывайте, что, как правило, пон€тие Ђудобство сборкиї вступает в конфликт с качеством.

¬ли€ние нагрузки

 огда говор€т о нагрузке усилител€, динамической головке, колонке или наушниках, подразумевают их сопротивление по посто€нному току. ќтчасти это правильно, но лишь отчасти. ƒинамическа€ головка - механическое устройство и ей свойственна особенность ее происхождени€ Ц инерционность. ѕо этому вопросу проводились исследовани€, была получена довольно интересна€ и проста€ рекомендаци€ Ц усилитель должен обеспечивать нормальное функционирование при сопротивлении нагрузки в два раза меньше номинального значени€.

ƒанна€ рекомендаци€ следует из механического (инерционного) характера работы динамической головки. ѕон€тно, что эта особенность про€вл€етс€ в небольшие интервалы времени и не сказываетс€ на общем тепловом режиме. ќднако игнорирование подобного услови€ приводит к печальным результатам Ц срабатыванию системы защиты от перегрузки или просто к работе усилител€ в нештатном режиме. ”вы, этой Ђболезньюї страдают и качественные усилители.

ѕроведенное исследование показало Ђне слишком удачныйї бас на р€де усилителей, что трудно объ€снить логически или экспериментально. ћножество проверок давало только положительные результаты, но тестовое прослушивание упорно показывало Ђстранностьї звучани€. Ќо после проведени€ теста на нагрузку в уменьшенном сопротивлении, все сразу встало на свои места Ц эти усилители показали резкий провал предельного уровн€ на низких и инфранизких частотах.

” динамической головки, кроме ее сопротивлени€, есть другие электрические характеристики Ц индуктивность, частота и добротность механического резонансаЕ но они хорошо известны и, как правило, легко учитываютс€ при разработке устройства. ќб этом знают, а вот тестирование на половинном сопротивлении выполн€ют далеко не всегда.

ƒинамический режим работы

ћузыка даже отдаленно не напоминает монотонный синусоидальный сигнал частотой 1 к√ц, которым прин€то тестировать усилитель. » дело здесь не в эстетике Ц проводили исследовани€ по воспри€тию человеком разных составл€ющих звуковых форматов: музыки, речи. Ѕыла обнаружена высока€ чувствительность к качеству передачи резких изменений уровн€ звука. ¬ речевой фонограмме вырезали фронты между звуками, после чего разборчивость падала катастрофически.

ƒл€ музыки свойственны плавные переходы между част€ми, но и в ней встречаютс€ моменты с довольно агрессивным изменением уровн€ звука. ƒинамическому режиму усилител€ характерны следующие потенциальные проблемы:
“ермоудар.
Ќизка€ скорость нарастани€ выходного напр€жени€.

Ђ“ермоударї встречаетс€ в большинстве выходных каскадов класса ј¬, про€вл€€сь в большей или меньшей степени Ц многое зависит от удачности конструкции теплоотводов и схемотехнического решени€. ќбычный вариант выходного каскада выгл€дит примерно так (схема упрощена до основных узлов):



¬ывод Ђјї Ц предшествующа€ часть схемы. ƒл€ компенсации искажений, свойственных классу ¬ (ступенька) в выходном каскаде задаетс€ небольшой ток через выходные транзисторы, что переводит усилитель в класс ј¬ и уменьшает уровень искажений. ќсуществл€етс€ сие через введение дополнительного источника питани€, приоткрывающего транзисторы выходного каскада, собранных на эмиттерных повторител€х Q2-Q4 и Q3-Q5.

“акой дополнительный источник чаще всего выполн€етс€ на транзисторе (Q1 и резисторы делител€ R2-R3), но встречаютс€ варианты с гирл€ндами кремниевых диодов. Ќапр€жение между выводами E и F задает ток поко€ усилител€, но напр€мую его выставить нельз€, приходитс€ управл€ть напр€жением в точках C и D, которое больше нужных точек E и F на напр€жение перехода Ђбаза-эмиттер транзисторовї Q4 и Q5. ”вы, точками C и D управл€ть по-прежнему затруднительно, вот и приходим к напр€жению источника, точкам A и B.

ƒл€ стабилизации тока пор€дка 0.1 ј требуетс€ выдержать между точками E-F напр€жение 0.1*0.6= 0.06= 60 м¬. Ќапр€жение источника питани€ должно быть больше 60 м¬ на величину падени€ база-эмиттерных переходов транзисторов, участвующих в процессе, то есть Q2, Q3, Q4, Q5 - четыре штуки. Ќапр€жение перехода пор€дка 0.6 вольта, к необходимым 0.06 ¬ надо прибавить 4*0.6=2.4 вольта. —равните целевое напр€жение 0.06 с управл€ющим 2.4 ¬, это уже потенциальна€ проблема.

Ќо речь пока идет о термостабильности, поэтому перейдем к ней. ƒело в том, что напр€жение база-эмиттерного перехода, как и любого p-n перехода, зависит от его температуры. ѕримерный коэффициент описываетс€ зависимостью -2 м¬ на 1 градус. Ёто означает, что при сохранении прежнего тока и повышении температуры перехода его напр€жение уменьшитс€ на 2 м¬.  ака€ ерунда, два милливольта! јн нет. “ранзисторы в выходном каскаде нагреваютс€ очень сильно, не зр€ же их устанавливают на радиаторы.

“емпература кристалла в транзисторе легко может нагреватьс€ на 50 градусов к температуре среды, причем довольно быстро. ≈сли перевести этот прирост температуры в изменение напр€жение Ђбаза-эмиттерї, то оно уменьшитс€ на 50*2=100 м¬. ќба транзистора в паре нагреваютс€ примерно одинаково и изменение напр€жени€ в точках C и D составит в два раза большую цифру, 0.2 вольта. ≈сли предположить, что источник питани€ смещени€ лишен термокомпенсации, то между C и D останетс€ прежнее напр€жение, а уменьшившеес€ напр€жение переходов транзисторов вызовет повышение напр€жение между точками E и F на 0.2¬, что приведет к увеличению тока поко€ с заданных 0.1 ј до 0.26/0.6 = 0.43 ј Ц уже весьма расточительно.

ѕрошу учесть, в рассмотрении не участвовало изменение температуры транзисторов Q2 и Q3, итог мог быть еще хуже. ¬ыходит, что источник питани€ дл€ установки тока смещени€ должен быть термокомпенсированным, как изображено на схеме Ц образцовое напр€жение Ђбаза-эмиттерї транзистора Q1 зависит от температуры. ѕри размещении транзистора Q1 на общем радиаторе с Q4 и Q5 он будет обладать примерно той же температурой и компенсировать изменение напр€жени€ перехода Ђбаза-эмиттерї. ¬сЄ хорошо, откуда проблемы?

”вы, компенсаци€ весьма условна. “епловой коэффициент источника примерно -2*4 = -8 м¬/градус, а нагреваютс€ транзисторы выходного каскада неодинаково. ≈сли с выходными Q4 и Q5 всЄ пон€тно, то с предыдущей ступенью, Q2 и Q3 ничего не €сно. — одной стороны, на них рассеиваетс€ небольша€ теплова€ мощность и их можно не устанавливать на радиатор. — другой, эта мощность не така€ уж и маленька€, всего в 10-40 раз меньше, чем на транзисторах выходной ступени. Ёто важно, вернемс€ к этому позже, а пока поговорим о выходных транзисторах и источнике смещени€.

ќбычна€ рекомендаци€ Ц устанавливать транзистор источника (Q1) на тот же радиатор, где смонтированы выходные транзисторы (Q4, Q5). ѕри этом следует аргументаци€, что этим достигаетс€ термостабилизирование тока поко€. Ќапр€жени€ Ђбаза-эмиттерї завис€т от температуры кристалла, котора€ заведомо больше температуры корпуса транзистора. Ќо, и температура корпуса транзистора нагреваетс€ гораздо больше, чем радиатор.   этому приводит ограниченна€ толщина теплоотвод€щей пластины радиатора, на которую монтируютс€ транзисторы, и об€зательна€ термопрокладка.

ѕоследн€€ крайне необходима из-за того, что на общий радиатор устанавливаетс€ несколько транзисторов и надо обеспечить электрическую изол€цию металла их корпуса от другого транзистора и цепей схемы. (¬ообще-то, признаком хорошего тона €вл€етс€ соединение крупных металлических узлов c цепью Ђземл€ї). —юда же стоит прибавить сложность размещени€ силовых транзисторов близко друг от друга, дл€ уменьшени€ перепадов температуры между силовыми транзисторами, и дополнительного транзистора термокомпенсации. Ќе в каждом усилителе устанавливают вентил€тор дл€ обдува радиатора, а это означает применение действительно большого радиатора и об€зывает разнести силовые транзисторы друг от друга по поверхности радиатора.

¬ работе, при установившемс€ тепловом режиме, происходит следующее:
1. “емпература кристалла в полтора-два раза больше температуры радиатора. ≈стественно, под Ђтемпературойї понимаетс€ нагрев над окружающей средой.
2. “епловой коэффициент источника смещени€ рассчитан на четыре перехода, а основной нагрев происходит только в двух, на выходных транзисторах (Q4, Q5).

ѕервый пункт говорит, что точна€ термокомпенсаци€ по температуре радиатора будет ошибатьс€ в два(?!!) раза. ¬торой означает, что компенсаци€ источника работает в два раза эффективнее, чем надо. ≈сли сложить оба пункта, то недокомпенсаци€ два раза сложитс€ (точнее Ђперемножитс€ї) с перекомпенсацией в источнике и будет полный пор€док.

ќбычно, так и происходит, но если говорить про установившийс€ режим. ј вот если применить эти же выкладки при динамическом режиме работы, когда за громким уровнем следует тихий, то вот тут-то и начинаютс€ проблемы. ”же говорилось, но перечислю в более четкой форме:
1. “емпература (перегрева) кристалла много выше температуры (перегрева) радиатора. ѕричем, транзистор очень быстро скидывает эту разность температур при сбросе рассеиваемой тепловой мощности.
2. ƒатчик тепловой компенсации находитс€ (механически) далеко от силовых транзисторов.
3. Ќагрев и охлаждение одной части радиатора относительно долго распростран€етс€ на другие участки радиатора.

¬ результате, теплова€ компенсаци€ источника тока поко€ оооочень сильно задержана во времени от температуры транзисторов. ≈сли в статическом режиме можно удержать ток поко€ в разумных рамках, то в динамике из-за запаздывани€ компенсации источника смещени€, возможно как значительное увеличение тока поко€ (при резком повышении уровн€ сигнала), так и значительное его уменьшение (переход к тихой музыке). ѕричем, уменьшение вплоть до 0, то есть усилитель переходит из класса ј¬ в чистый ¬. —тоит добавить, что в эти моменты как раз идет тиха€ музыка.

„то до моего примера, то давайте Ђприкинемї цифры. ѕоложим, нагрев радиатора 20 градусов (к окружающей среде), что означает температуру кристалла транзистора 40 градусов (расчеты примерны). ѕри резком сбросе громкости звука, скорее при Ђочень резком и сильномї сбросе, температура радиатора в месте креплени€ транзистора упадет до 15 градусов, а кристалла до 20 градусов. Ќе забывайте, подразумеваетс€ не абсолютна€ температура, а перегрев к окружающей среде. “ок поко€ выходных транзисторов определ€етс€ напр€жением на резисторах R5+R6 и их сопротивлением.

–анее рассчитывалось, что ток поко€ 0.1 ампера получалс€ при напр€жении 60 м¬, его и пытаетс€ поддерживать термокомпенсаци€ источника смещени€ на транзисторе Q1. ќдно Ђної Ц температура Q1 еще Ђдолгої останетс€ прежней, а вот выходные транзисторы Q4, Q5 уже остыли Ђв два разаї. ѕо сравнению с ранее установившейс€ тепловой стабильностью разница температур составила 20 градусов или -2*20*2 = -80 м¬. —кладываем с 60 м¬, которые поддерживает схема смещени€ и получаем 60-80=-20 м¬. “о есть транзисторы ушли в отсечку с нулевым током поко€. Ёто и называетс€ термоудар Ц при медленном изменении выходной мощности система работает корректно, а резкие смены режимов работы вызывают ухудшение свойств усилител€.

ќбратите внимание, € Ђсовершенно забылї о транзисторах предвыходного каскада, Q2 и Q3. ѕо идее, они не должны особо нагреватьс€ и вреда от них не ожидаетс€. Ќо, они всЄ же нагреютс€. »х установка на общий радиатор не улучшит ситуацию с термоударом, ведь температуру Ђкристалл-радиаторї выходных транзисторов контролировать (и компенсировать) нечем. ≈сли же их устанавливать на собственные радиаторы или без оных вовсе, то у термоудара по€витс€ еще одна составл€юща€, температура предоконечных транзисторов, котора€ только ухудшает дело.

“еперь по скорости нарастани€ выходного сигнала.

ƒл€ симул€ции используетс€ следующа€ схема:



Ёмул€ци€ ограничени€ скорости нарастани€ достигаетс€ заменой верхнего плеча выходного каскада на нерегулируемый источник тока, транзистор Q5, и шунтирование нагрузки конденсатором (C1) чрезмерно большой величины. ƒл€ более нагл€дной демонстрации, в качестве сигнала примен€ютс€ два источника Ц 2 к√ц и 20 к√ц. ѕри этом получаетс€ следующа€ форма выходного сигнала:



Ќапоминаю, красный график образцового сигнала, зеленый Ц выходного.

—корость нарастани€ выходного напр€жени€ ограничена, что вызывает отставание зеленого графика по отношению к красному. ќсобенно интересен фрагмент между 250 мкс и 300 мкс Ц зеленый график начинает отставать от красного и накапливаетс€ ошибка обратной св€зи. ¬ районе 280 мкс выходное напр€жение наконец-то Ђдогналої красный и, вроде бы, с этого момента всЄ должно придти в норму, но за врем€ отставани€ накопилась ошибка, которую надо выбрать и зеленый график продолжает расходитьс€ и дальше.

“ак будет до тех пор, пока ранее накопленна€ ошибка не будет компенсирована новой ошибкой, с другим знаком. Ёто происходит только при 300 мкс, обратна€ св€зь Ђспохватываетс€ї и начинает уменьшать напр€жение. »нтересно, что оп€ть следует перерегулирование, зеленый график уменьшаетс€ даже ниже красного. ѕоследующие два периода частотой 20 к√ц повреждаютс€ по тому же сценарию.


»мпеданс усилител€ и демпфирование динамика


”силитель работает не в вакууме, он нагружаетс€ на динамическую головку (или звуковую колонку из нескольких динамиков). –ассматривать одно без другого было бы ошибочным.  ачество работы усилител€ зависит от того, что представл€ет собой нагрузка, но верно и обратное Ц функционирование динамика зависит от усилител€.

ƒл€ упрощени€ рассуждений предположим, что усилитель нагружен на один динамик без каких-либо фильтров и согласующих элементов, соединительные провода минимальной длины, достаточного сечени€ и качества исполнени€. Ќадуманна€ ситуаци€? ќтнюдь, существуют же активные колонки дл€ воспроизведени€ только низких частот.

ѕоговорим немного о динамической головке. «ачастую, из электрических характеристик указываетс€ только еЄ номинальное сопротивление, но это же далеко не всЄ! Ёффективность или отдача, эквивалентный объем, частота механического резонанса, его добротностьЕ много чего полезного остаетс€ за кадром. ќбратим внимание на такую характеристику, как добротность Ц она состоит из механической и электрической составл€ющих.

ћеханическа€ зависит от эластичности подвеса диффузора, его веса и сопутствующего объема воздуха и изменена быть не может. ¬ообще говор€, может примен€тьс€ акустическое демпфирование, но не стоит на это сильно рассчитывать. ј вот друга€ составл€юща€, электрическа€ добротность, зависит от выходного сопротивлени€ усилител€. ≈сли динамическа€ головка не слишком удачно подходит дл€ выбранного акустического оформлени€, то изменением электрического демпфировани€ (выходным сопротивлением усилител€) можно немного подправить дело.

ќсновной источник проблемы Ц механическа€ система излучател€, у которой есть резонанс в самом начале низкочастотного диапазона рабочей полосы частот. ≈сли по диффузору легонько стукнуть, то он издаст звук низкой частоты, причем основные колебани€ будут на частоте механического резонанса, длительность самого звучани€ будет зависеть от добротности. ≈сть такое пон€тие Ђпризвукї Ц вот это оно и есть, когда динамик продолжает издавать звук уже после того, как электрически звук должен был прекратитьс€. ƒл€ изменени€ величины призвука можно варьировать выходное сопротивление усилител€.

ƒл€ симулировани€ используетс€ следующа€ модель:



√ирл€нда элементов L2Е R22 в центральной части схемы эмулируют низкочастотную динамическую головку диаметром 25 см.

√рафики: красный Ц выходное напр€жение усилител€, зеленый Ц реактивна€ составл€юща€ динамической головки. ”вы, электрическа€ модель слабо соотноситс€ с акустической, поэтому в тесте интересны общие закономерности, а не конкретные численные вычислени€ и правильность воспроизведени€. ќчень трудно совместить графики с настолько различными услови€ми работы, поэтому параметры подбирались так, чтобы амплитуда зеленого графика (реактивна€ часть динамика) оставалась посто€нной, 1 вольт.

¬начале обычный режим, точка соединени€ R29 и C7 соедин€етс€ с землей, что переводит усилитель в обычный режим работы.



Ќичего необычного, на вход усилител€ подаетс€ пр€моугольный сигнал, он же получаетс€ на выходе. »зменим услови€ игры, соберем схему так, как на рисунке Ц при этом по€витс€ ѕќ— (Ђположительна€ обратна€ св€зьї) по току нагрузки и выходное сопротивление усилител€ станет отрицательным.

‘орма сигнала дл€ схемы с отрицательным выходным сопротивлением:



–азличи€ видны невооруженным взгл€дом Ц на выходе усилител€ напр€жение уже не столь похоже на требуемое, фронты претерпели существенное изменение. »де€ здесь в том, что если механическа€ система динамика резко увеличивает отдачу на резонансной частоте, то надо так формировать форму напр€жени€, чтобы на резонансной частоте оно было соответствующе понижено. ¬ результате, при излучении произойдет взаимна€ компенсаци€ и звукова€ картинка будет восприниматьс€ корректнее.

–ассмотрим и третий вариант, с большим выходным сопротивлением. ќбычно у усилител€ очень низкое выходное сопротивление, но что мешает его увеличить? Ќет, банальна€ установка дополнительного последовательного резистора между выходом усилител€ и динамиком использоватьс€ не будет, дл€ этого просто следует откорректировать принцип обратной св€зи.  онкретно Ц обратную св€зь надо брать не с выхода усилител€, а с резистора, включенного последовательно с динамиком в цепь Ђземл€ї (резистор R28). ѕри этом выходное сопротивление усилител€ станет очень большим.

‘орма сигнала дл€ схемы с токовым выходом:



ћ-да. ‘орма выходного напр€жени€ получила €вный колебательный характер, как и напр€жение на реактивной части модели динамика.

“еперь сравните характер поведени€ зеленого графика дл€ всех трЄх случаев Ц как видите, можно оказывать вли€ние на врем€ колебаний динамика, а значит, подстройкой работы усилител€ регулировать врем€ призвука, обычную Ђболезньї динамиков большого диаметра.

 огда говор€т об усилителе, то, кроме демпфировани€, представл€ет интерес еще один момент Ц нагрев катушки. ƒинамическа€ головка преобразует электрическое воздействие в механическое перемещение диффузора с помощью катушки, котора€ перемещаетс€ в магнитном зазоре. ѕоследн€€ наматываетс€ медным проводом и при нагреве должна увеличивать свое сопротивление. Ёто актуально? ѕроверим.

ƒл€ теста использован советский динамик с неизвестной маркировкой (похожий на 4√ƒ8≈) и Ђкитайскийї вкладной наушник Ђза 100 рублейї. »здеватьс€ над хорошими вещами мне совершенно не хочетс€, а полученные результаты интересуют больше как тенденции, потому элементна€ база не столь важна.

ƒл€ измерени€ девиации сопротивлени€ динамика от мощности можно строить схему по принципу: генератор сверхнизких и высоких частот + усилитель + динамик + микрофон, в результате получаютс€ неинформативные картинки с сильным эмоциональным подтекстом. Ќет уж. Ќудно и некачественно. —делаем иначе Ц снимем напр€жение на датчике тока при подаче на динамик фиксированного напр€жени€ посто€нного тока. ѕри этом сразу можно будет оценить и величину изменени€ сопротивлени€ и скорость этого изменени€ (врем€ теплового процесса).

ƒинамик:



¬рем€ переходного процесса пор€дка трЄх секунд, изменение (увеличение) от нагрева составило 1/5 номинального сопротивлени€.

Ќаушник (15 ќм):



¬рем€ переходного процесса здесь меньше, пор€дка 0.7 секунды, а вот девиаци€ сопротивлени€ пор€дка 1/8. Ќо здесь необходимо по€снение, измерени€ проводились при напр€жении на наушнике около 3 ¬. ¬ы слушали когда-нибудь подобный наушник при напр€жени€, близких к этому? ѕри положительном ответе € начну завидовать, если после этого вы сохранили слух. ” мен€ с этим беда, дл€ тестового наушника нормальный уровень громкости получилс€ при напр€жении 0.3 вольта. ≈сли повторить тест измерени€ на нагрев дл€ напр€жени€ 0.3 вольта, то девиаци€ сопротивлени€ вообще не должна быть заметна, ведь теплова€ мощность уменьшитс€ в 100 раз. ѕоэтому график дл€ пониженного напр€жени€ не приводитс€, смысла в нем нет.

≈сли по наушникам всЄ сильно запутано, то по динамикам довольно прозрачно. »х катушка нагреваетс€ и сопротивление возрастает. ѕричем, тест производилс€ над советской динамической головкой, современные динамические головки обладают более Ђмощнымиї характеристиками при примерно таком же исполнении, в чЄм подвох?

¬сЄ просто, материал изол€ции провода и каркас катушки выполн€етс€ из материалов с повышенной теплостойкостью, что обеспечивает им большую рабочую мощность. ѕо некоторым данным, в профессиональных динамиках катушка нагреваетс€ до 190-200 градусов. ј что, довольно логично, € встречал обсуждени€ в конференци€х вопросов вида Ц нормально ли, что магнитна€ система нагреваетс€ выше 60 градусов? “епловое сопротивление медной обмотки мен€етс€ пор€дка 0.4 процента на каждый градус нагрева, далее простые расчеты.

¬ моем тесте динамика температура катушки вр€д ли превысила 100 градусов по ÷ельсию, скорее не было и шестидес€ти. Ёто означает, что сопротивление динамика может мен€тьс€ значительно больше, чем на 1/5 номинального сопротивлени€. ¬прочем, многое зависит и от слушател€ Ц если не возникает желани€ озвучивать стадион, то си€ проблема не столь актуальна. ’от€, есть применени€ типа Ёћќ—, и там сложности умножаютс€.

ƒл€ среднечастотных динамических головок свойственна друга€ проблема, но со схожими последстви€ми. ѕри колебании диффузора катушка перемещаетс€ вдоль магнитного зазора, со всеми его неоднородност€ми, что несколько мен€ет ее индуктивность. ≈сли подать на динамик пару сигналов, низкой и высокой частоты, то низкочастотна€ составл€юща€ будет сдвигать диффузор, и катушка будет смещатьс€ в магнитном зазоре, что приведет к изменению ее индуктивности. ¬ сильно упрощенной форме, эквивалентна€ схема динамической головки представл€етс€ в виде последовательного соединени€ активного сопротивлени€ и индуктивности катушки. ƒл€ низких частот импеданс головки будет определ€тьс€ активным сопротивлением, но на высоких частотах уже начнет сказыватьс€ собственна€ индуктивность катушки.

 оль скоро эта индуктивность не посто€нна во времени, то и ток через катушку не останетс€ посто€нным, что означает интермодул€ционные искажени€. ѕо некоторым разрозненным данным, собственна€ индуктивность катушки может мен€тьс€ на 10-30 процентов, в зависимости от конструкции динамика. Ёто приведет к уровню интермодул€ционных искажений 5-12 процентов. ѕодробнее этот вопрос рассмотрен в работе Ђƒолжен ли ”ћ«„ иметь малое выходное сопротивление?ї, автор —. јгеев.

„тобы не быть совсем уж голословным, простенька€ проверка Ц возьмем тот же тестовый динамик и подадим на него посто€нный ток, который вызовет смещение диффузора, после чего останетс€ только измерить его индуктивность.

¬ моем случае динамик показал изменение индуктивности на 4 процента при подаче посто€нного тока, соответствующего 25 процентам номинальной мощности. ѕри одной пол€рности тока следовало увеличение индуктивности, при другой Ц уменьшение. ≈сли 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. «амеры индуктивности проводились с использованием прибора ≈7-8, на частоте 10 к√ц.

«аметность искажений

ѕроверка усилител€ дает численную характеристику Ђкоэффициент гармоникї, но отражает ли она реальное качество звучани€? — одной стороны, это объективный параметр и при малом значении подразумевает неплохое качество звука. “ак, что же характеризует коэффициент гармоник? ¬ообще-то, Ђсферического кон€ї, увы. ¬ажен не только уровень искажений, вносимый усилителем, но его состав и частотный диапазон.

„еловек воспринимает разную частоту звука с различной чувствительностью, наибольша€ восприимчивость приходитс€ на диапазон средних частот, 0.5-1 к√ц, выше и ниже чувствительность падает. ’уже другое, на этих зависимост€х сказываетс€ уровень звука Ц при уменьшении громкости низкие и высокие частоты воспринимаютс€ хуже. ƒл€ устранени€ этого эффекта, в нормальных усилител€х в регул€тор громкости встраивают тонкомпенсацию.

 ривые равной громкости:



¬торой момент со схожей проблемой Ц больша€ часть мощности спектра типичных источников (фильмы, музыка) приходитс€ на низкие частоты. „тобы не загромождать статью не самой второстепенной информацией, ознакомитьс€ с распределением энергии можно в статье Ђ—пектр музыкального сигналаї. ¬ зависимости от частот разделени€, дл€ звуковой колонки на базе Ќ„, —„ и ¬„ динамических головок, прин€то распредел€ть их мощность как 70%, 50% и 30% от полной. »ли можно воспользоватьс€ методикой из той же статьи:



ƒавайте возьмем абстрактный усилитель с уровнем гармоник 0.01 процента. ѕредположим, данна€ цифра была получена измерением уровн€ искажений классическим способом - на частоте 1 к√ц и с номинальным уровнем громкости. Ќеплохой усилитель?Е Ќо продолжим анализ. ќсновную часть времени усилитель работает при низкой или очень низкой громкости, поэтому измерени€ на номинальной мощности не €вл€ютс€ столь уж значимыми. ќбычно при снижении уровн€ сигнала относительный уровень гармоник повышаетс€. Ѕольше или меньше, но все транзисторные усилители класса AB страдают эффектом Ђступенькиї.

ѕредположим, сей абстрактный усилитель был спроектирован достойно, а потому уменьшение уровн€ не привело к катастрофической деградации свойств и уровень гармоник повысилс€ всего до 0.1 процента. „тобы не быть голословным, обратимс€ к довольно распространенному интегральному усилителю TDA2050:



ѕовысилс€ уровень искажений, но ведь это относительный уровень и он не так заметен, как при полной громкости. ¬прочем нет, если в комнате долго тихо, то происходит эффект адаптации и чувствительность восстанавливаетс€. ѕроблема в другом, если у усилител€ большой спектр гармоник (спектр, а не уровень!), то основной сигнал не может Ђзамаскироватьї все гармоники и они могут стать заметными. ƒавайте проанализируем заметность искажений дл€ сигнала трех диапазонов Ц низкие частоты (до 200 √ц), средние и высокие (выше 5 к√ц).

Ќизкие и сверхнизкие частоты характерны тем, что ухо их воспринимает не как звук, а скорее как вибрацию. ѕоэтому, Ђзаметностьї их низка€. Ќо, хот€ их не так отчетливо слышно, это вовсе не означает, что они не принос€т проблем. »скажени€ в динамической головке из-за ограниченной механической прочности диффузора и неоднородности магнитного пол€ в зазоре магнитопровода можно опустить, речь идет о более простых вещах Ц в этой полосе частот рассеиваетс€ бо́льша€ часть всей мощности, что означает значительную амплитуду сигнала.

ќт€гощает ситуацию то, что сам сигнал данной частоты плохо слышен и не может маскировать собственные искажени€ высокого пор€дка. ѕрикинем, что будет с искажени€ми. ¬озьмем частоту сигнала 100 √ц, характерную дл€ низкочастотных колонок, при низком уровне громкости. Ёто означает коэффициент гармоник пор€дка 0.1 процента. ѕоложим, тестовой усилитель хороший, только со спектром искажений, характерным дл€ интегральных решений Ц четверть искажений приходитс€ на гармоники высокого пор€дка (с номером 5 и больше).

–асклад следующий Ц пор€дка 0.05 процента искажений приходитс€ на частоты 0.5-2 к√ц, которые Ђслышныї в 2-5 раз лучше.  роме того, € не зр€ говорил о низком уровне громкости и тонкомпенсации Ц из-за последнего низкие частоты поднимаютс€ в 5-15 разЕ что увеличивает и их сопутствующие искажени€ в той же пропорции. ≈сли всЄ просуммировать, то уровень искажений можно разбить на две составл€ющие:
— низким номером гармоник, пор€дка 0.07 процента, они частично маскируютс€ полезным сигналом.
— высоким уровнем гармоник, пор€дка 0.05 процента. ќни плохо маскируютс€ и хорошо прослушиваютс€ в среднечастотном диапазоне. ≈сли перевести с учетом тонкомпенсации и Ђслышимостиї, то их уровень будет пор€дка 0.05*3*10=1.5 процента.

¬ывод Ц дл€ низкочастотного звена лучше делать отдельный усилитель.

—редние частоты характеризуютс€ высокой восприимчивостью человеческого уха, поэтому и полезный сигнал, и гармоники одинаково заметны, при расчетах переводить в Ђслышимостьї нужды не возникает.

¬ высокочастотной части спектра звукового диапазона вроде бы всЄ просто Ц гармоники выше 20 к√ц не слышны. „то ж, с ними и не нужно боротьс€? ќтнюдь, по€вление искажений в ультразвуковом диапазоне приводит к двум последстви€м:
¬озникает помеха высокой частоты, которую стараетс€ устранить обща€ обратна€ св€зь усилител€.  ак следствие, по€вл€ютс€ наведенные искажени€ из-за изменени€ условий работы входного каскада.
—ами искажени€ не слышны, но факт их по€влени€ вли€ет на амплитуду первой гармоники (полезный сигнал), что воспринимаетс€ ухом как Ђстранноеї плавание уровн€. ќбычно, величина гармоник на верхнем диапазоне зависит от сопутствующих факторов Ц уровн€ и характера высокочастотных и низкочастотных составл€ющих, и при медленном изменении уровн€ происходит как бы скачкообразна€ модул€ци€ громкости высоких частот.


ћатериал с сайта overclockers.ru
      
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)
¬рем€: 12.09.2011 05:42 
ћосква
bass gtr

прочитал три раза .

непон€тным осталось только одно : жать -то куда ?
alex●bass●gtr
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)
¬рем€: 20.01.2012 21:30 
ћосква
√итара

√лазами пробежал,статью не читал. +1 в первому посту! ¬ыход из ситуаций каков??
¬ этот форум могут писать только зарегистрированные пользователи!