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

—татьи

 

”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)

¬рем€: 05.08.2011 04:58 
„то дают радиолампы?

≈сли отвечать на вопрос пр€мо, то ничего хорошего. –адиолампы спроектированы дл€ работы на относительно высоких напр€жени€х, обладают большим внутренним сопротивлением и довольно низким коэффициентом усилени€. √м, откуда же вз€лс€ этот ренессанс, почему современна€ теори€ усилителей так т€готеет к этому очевидному выкидышу прошлого, радиолампам? ƒл€ начала, попробуем разобратьс€, чем отличаютс€ радиолампы и транзисторы. ћикросхемы состо€т из тех же транзисторов, поэтому сравнение радиоламп с ними довольно беспредметно.

–адиолампы.


  сожалению, у мен€ отсутствуют PSPICE модели советских радиоламп. “очнее, действует принцип ЂЌеуловимого ƒжої, они не нужны. Ќо если захотите использовать, можно воспользоватьс€ библиотеками, любезно представленными сайтом next-tube. ќднако надо бы как-нибудь прокомментировать рассуждени€. ѕо свойствам, ближайшим аналогом радиоламп в триодном исполнении €вл€ютс€ полевые транзисторы со встроенным каналом, JFET. ƒавайте возьмем BF245A, благо он есть в библиотеке PSPICE.

¬начале посмотрим зависимость тока стока от напр€жени€ на затворе. —хема включени€ обычна€:



Ќа затвор подаетс€ управл€ющее напр€жение от +0.5 до -1.5 вольта. ”станавливать большее положительное напр€жение нельз€, откроетс€ встроенный паразитный диод (который, естественно, отсутствует в радиолампах). ”станавливать же меньше -1.5 вольта смысла нет, транзистор закрываетс€ полностью.



≈сли сильно утрировать, то можно сказать, что изменение управл€ющего напр€жени€ приводит к линейному изменению тока стока. ƒавайте попробуем собрать усилительный каскад.



ѕри этом на стоке будет следующа€ картинка:



¬о-первых, у выходного напр€жени€ размах 3.2 вольта, что говорит о коэффициенте усилени€ 32 (управл€ющее напр€жение 0.1 вольта). ¬о-вторых, особо сильных искажений не заметно, скорее их просто не видно. ѕосмотрим спектр:



ќтчетливо видна втора€ гармоника, что говорит об асимметрии, и присутствие небольшой третьей гармоники.

—равним с транзистором. ƒл€ примера возьмем нечто обычное, например 2N3904 (npn, 60 вольт, hFE=80). јнализировать зависимость тока коллектора от напр€жени€ на базе как-то глупо, налицо будет €вный релейный эффект. ¬прочем:



ќбратите внимание, шкала тока логарифмическа€!

“еперь подадим синусоидальный сигнал на вход и посмотрим, что станет на выходе. ” транзистора большее усиление, чем было в схеме на JFET, поэтому € несколько уменьшу величину управл€ющего напр€жени€ дл€ сохранени€ прежнего выходного сигнала.



Ќа схеме отражены три варианта подачи сигнала:
«еленый Ц источник напр€жени€ с очень низким внутренним сопротивлением.
—иний Ц через резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению транзистора (при этом токе эмиттера).
„ерный Ц входной сигнал €вл€етс€ токовым, то есть с бесконечным внутренним сопротивлением.
 расный Ц образцовый сигнал, без искажений.

¬ходное сопротивление R3 дл€ второй схемы подбиралось такой величины, чтобы на нЄм падало такое же переменное напр€жение, что и на базе транзистора. “аким образом, номинал резистора R3 равен входному сопротивлению усилительного каскада. “еперь взгл€нем на форму сигнала:



ƒл€ начала, вычислим коэффициент усилени€ транзистора в этом включении. ƒевиаци€ выходного напр€жени€ составила 7.822 вольта при управл€ющем 8 м¬, или 7.822/0.008 = 977. »нтересно. ќбратите внимание, даже дл€ столь низкой частоты (всего лишь 1 к√ц) существует задержка распространени€ сигнала вход-выход. ќсобенно этот непри€тный момент заметен дл€ случа€ источника сигнала с очень большим внутренним сопротивлением (черный график).

ѕерейдем к анализу спектра:



»нтересно, даже очень! ”величение внутреннего сопротивлени€ источника сигнала уменьшает уровень второй гармоники, на третьей сказываетс€ меньше, но что творитс€ с гармониками большего номера Ц их уровень возрастает! », что особо непри€тно, величина гармоник уже мало зависит от их номера, спектр искажений огромен. Ќо хот€ в PSPICE и используютс€ довольно точные модели, не стоит идеализировать результаты симул€ции.

ѕредварительный вывод Ц радиолампы, по сравнению с транзисторами, обладают:
1. Ќизким коэффициентом усилени€.
2. ќчень большим входным сопротивлением.
3. —ущественным внутренним сопротивлением.
4. ќтсутствует напр€жение смещени€ управл€ющего вывода.
5. Ќевозможна структура с противоположной проводимостью.

ѕро существенные размеры, старение эмиссии, необходимость накала и времени на выход в рабочий режим пока забудем Ц это €вные недостатки, но не столь критичные.

ѕри беглом взгл€де на список создаетс€ впечатление, что лишь две позиции из п€ти говор€т в пользу радиоламп. Ѕольшое входное сопротивление Ц это бесспорный плюс, как и отсутствие смещени€, но и остальные свойства - скорее их достоинство, чем недостаток. ¬прочем, пройдемс€ по всем пунктам.

–адиолампы спроектированы дл€ работы на повышенных напр€жени€х, поэтому большинство свойств не €вл€ютс€ столь плохими. ”вы, современное применение радиоэлектронных устройств подразумевает нагрузку с низким сопротивлением (наушники, динамики) при широкой полосе частот, что крайне затрудн€ет процесс проектировани€. Ќо трудности проектировани€ - проблемы разработчика и слушател€ вообще не должны заботить. √лавное Ц качество.

»звините, увлекс€. ќднако же, пройдемс€ по пунктам.

Ќизкий коэффициент усилени€ Ц крутизна сетки (в модели JFET Ђзатвораї) довольно низка и только за счет повышенного нагрузочного выходного сопротивлени€ можно добитьс€ хорошего (или сносного) коэффициента усилени€.

ќчень большое входное сопротивление Ц бесспорное достоинство, в комментари€х не нуждаетс€. ќдно Ђної Ц динамическа€ емкость в триодном включении портит жизнь и полное входное сопротивление на высших частотах звукового диапазона становитс€ уже далеко не бесконечным.

—ущественное внутреннее сопротивление Ц увы, особенности технологии. Ќа каждую радиолампу декларируетс€ номинальное рабочее напр€жение, обычно в диапазоне 100 Ц 250 вольт, и сохранить ее нормальное функционирование на значительно меньших напр€жени€х не получитс€ именно из-за внутреннего сопротивлени€.

ќтсутствует напр€жение смещени€ управл€ющего вывода Ц второй бесспорный плюс. ѕосмотрите передаточную характеристику Ђвход-выходї усилительного каскада на JFET и обычного транзистора. ƒл€ первого смещение не об€зательно, а вот транзистору просто необходим сдвиг уровн€ примерно на 0.6 вольта. —равните, амплитуду сигнала 8 м¬ со смещением 672 м¬, цифры даже не одного пор€дка! ѕоправка, даже не двух пор€дков. ќсобо усложн€ет жизнь то, что напр€жение смещени€ зависит от температуры, примерно -2 м¬/градус. ƒл€ полезного сигнала 8 м¬ это будет сопоставимо с изменением температуры транзистора на 8/2 = 4 градуса. Ќеприемлемо.

Ќевозможна структура с противоположной проводимостью Ц проблема вакуумных элементов. ≈сть анод и есть катод, последний требует нагрева. —делать противоположную структуру нельз€. ”вы. ¬прочем, у их близких Ђсородичейї JFET существуют оба варианта, с каналом n и p.

¬о второй части статьи € собираюсь доказать, что недостатки радиоламп €вл€ютс€ их достоинствами. »менно из-за них, устройств с €вно посредственными свойствами, внимание не уменьшаетс€.  онечно, радиолампы давно уже перешли в разр€д Ђантуквариатовї (по весьма удачному выражению одного из участников старинного советского сериала Ђ—ледствие вели «на“о иї), что создает ареол элитарности. Ќо, если отбросить наносное - если бы у решений на радиолампах отсутствовали объективные преимущества, авантюрный интерес давно бы угас. ¬ чем причина? ѕопробуем разобратьс€.


Ёлементы схемотехники

—равнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы побед€т с €вным отрывом. ѕройдемс€ по основным узлам и элементам усилител€ и посмотрим, что может дать переход на что-то типа радиолампы и почему следует столь неочевидный провал транзисторов. ¬ данном разделе будут участвовать довольно большие модели, поэтому € буду прилагать файлы проектов, можете их исследовать самосто€тельно. ‘ормат OrCAD 10.5, используютс€ только комплектные библиотеки.

’очу специально обратить ваше внимание Ц в данном разделе будет проводитьс€ анализ и формулироватьс€ выводы, но это лично мои суждени€ и они могут страдать изр€дной долей субъективизма. Ќе верьте Ђна слової, провер€йте логику рассуждений и приведенные аргументы самосто€тельно.

ѕовторюсь, сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы лучше. Ќо любому бриллианту нужна оправа, без этого он просто кусок прозрачного стекла. “ак и с транзисторами (микросхемами). ѕройдемс€ по ключевым элементам и сравним вли€ние элементной базы и искусства разработки.

Ѕольшинство усилителей низкой частоты стро€т из последовательного соединени€ следующих узлов:
1. ”стройство сравнени€
2. Ћинейный усилитель ошибки
3. ¬ыходной каскад.

— точки зрени€ проблем, основной вред вносит перва€ и последн€€ ступень этой цепочки. Ќо термин Ђвредї, измеренный в коэффициенте гармоник, содержит мало смысла, поскольку кроме абстрактных цифр важны сопутствующие параметры Ц характер и заметность вносимых искажений, а они сильно розн€тс€ дл€ каждой из трех позиций. јналогично различаютс€ и способы повышени€ качества работы этих узлов.


”стройство сравнени€


“радиционно, усилитель низкой частоты Ђначинаетс€ї с дифференциального каскада. ќн может быть €вный, из двух транзисторов, или не€вный.

Ќачнем с традиционного:



–езисторы в эмиттерах чисто номинальные, они пригод€тс€ чуть позже. —читайте, что их просто нет. ѕодадим сигнал в 25-50-100 м¬ и посмотрим на результат.



—хема одна и та же, мен€етс€ величина входного сигнала:
 расный = 25 м¬.
«еленый = 50 м¬.
—иний = 100 м¬.

ƒаже на первый взгл€д, по картинке хорошо видно, что следует ограничение сигнала. ƒл€ соблюдени€ пор€дка приведу спектр сигнала на выходе:



„ем больше величина воздействи€ на дифференциальный усилитель, тем больше он вносит искажени€. ƒавайте оценим Ђвредностьї этих искажений. ќбычно низкий уровень гармоник во всЄм усилителе достигаетс€ за счет общей обратной св€зи. “о есть, если элемент с искажени€ми находитс€ внутри петли обратной св€зи, то его Ђвредностноеї действие значительно ослабл€етс€.

¬ нашем случае дифференциальный каскад €вл€етс€ узлом сравнени€ обратной св€зи, а поэтому не входит внутрь цепи коррекции и не может быть исправлен обратной св€зью. ƒаже хуже, чем глубже обратна€ св€зь, тем сильнее про€вл€ютс€ искажени€ от дифференциального усилител€. Ёто значит, что в данном тесте Ђчересчурї не только уровень 50 и 100 м¬, когда следует €вное ограничение уровн€, но и 25 м¬ тоже.

ѕопробуем иначе, в схеме присутствуют Ђдекоративныеї резисторы R3 и R5. ”величим их до разумного значени€. —опротивление эмиттерного перехода при токе 0.5 мј пор€дка 50 ќм, значит, есть смысл поставить дополнительный резистор, скажем, 330 ќм.

—пектр выходного сигнала дл€ эмиттерных резисторов R3 = R5 = 330 ќм:



¬ схеме помен€лс€ коэффициент усилени€, поэтому список величин исходного сигнала будет расширен.
 расный = 25 м¬.
«еленый = 50 м¬.
—иний = 100 м¬.
‘иолетовый = 250 м¬.
„ерный = 500 м¬.

ѕоследние два значени€ выбраны из услови€ обеспечени€ примерно такого же выходного напр€жени€, что и в предыдущем тесте дл€ 50 и 100 м¬.

ƒобавление резисторов снижает коэффициент усилени€ дифференциального каскада и немного уменьшает уровень искажений при низком входном сигнале (сравните пик на частоте 5 к√ц дл€ графика синего цвета последнего теста и красный предыдущего), но никак не вли€ет на уровень выходного сигнала. ¬ обоих тестах ограничение наступало при напр€жении 3 вольта.

ќчевидно, что выходное напр€жение здесь не при чЄм, ограничение вызвано другим элементом или параметром. » этот элемент Ц источник тока I1, величиной 1 мј. Ќагрузочными сопротивлени€ми дифкаскада €вл€ютс€ резисторы R2, R4 номиналом 3.3 кќм, что при токе I1 = 1 мј может обеспечить уровень полезного сигнала не более 3.3   * 1 мј = 3.3 ¬, что и произошло.

Ќу хорошо, а что будет, если помен€ть транзисторы на заведомо лучшие, с большим hFE и частотным диапазоном? ј ничего, совершенно ничего. ƒело в том, что величина управл€ющего напр€жени€ зависит от эмиттерного сопротивлени€ (Re), которое довольно точно считаетс€ по формуле 26 м¬ / Ie, где Ie Ц ток эмиттера. —амо максимальное значение управл€ющего напр€жени€ считаетс€ как Re * Ie, где Ie = величине источника тока в эмиттере дифкаскада. ѕутем приведени€ сопротивлени€ к напр€жению получитс€, что максимальное управл€ющее напр€жение составл€ет 26 м¬.

Ёти рассуждени€ были про один транзистор пары, но поскольку их два, то это напр€жение надо умножить на два, или 52 м¬. —имулирование схемы показало примерно такой же результат, при управл€ющем напр€жении 50 м¬ идут сильные искажени€, а при 100 м¬ наступает €вное ограничение уровн€. ѕочему нет точного совпадени€? ¬се просто, под Ie следует понимать мгновенное значение тока эмиттера, который измен€етс€ очень сильно, в дес€ть и более раз, в пределах величин управл€ющего сигнала.

 роме обычного дифференциального каскада на двух транзисторах, узел сравнени€ может быть выполнен и на одном транзисторе, например, так:



‘орма сигнала на выходе:



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

ѕерейдем к анализу спектра:



¬ отличие от симметричного дифференциального каскада, рассмотренного ранее, в спектре подобного включени€ наблюдаютс€ четные гармоники Ц схема обладает €вной асимметриейЕ Ќо если отбросить эту мелочь, то результаты совпадают.

¬ывод Ц обычный дифкаскад получил очень узкий рабочий диапазон напр€жений. Ќо, при чЄм здесь это, если усилитель ошибки и так должен работать только с очень маленьким сигналом Ц на дифкаскаде усиливаетс€ только разностный сигнал, полученный вычитанием напр€жением обратной св€зи из входного сигнала, то есть мизерна€ величина.   этому вопросу вернемс€ чуть позже, а пока давайте поговорим о другой, но св€занной проблеме Ц обратной св€зи.


ќбща€ обратна€ св€зь

Ётот раздел €вл€етс€ пр€мым продолжением предыдущего и тесно с ним св€зан. ќбратна€ св€зь (если говорить точнее - обща€ отрицательна€ обратна€ св€зь) призвана уменьшать уровень гармоник, создаваемых усилителем, но она сама создает проблемы. ѕопробуем сделать модель всего усилител€ и посмотрим сигналы в контрольных точках.



ѕри рассмотрении работы схемы часто забывают о задержках в каскадах усилител€. ”вы, у транзисторов есть паразитные емкости, да и быстродействие их не бесконечно, даже дл€ такого медленного устройства, как усилитель низкой частоты. ƒл€ эмул€ции этого дефекта, в схему добавлена задержка 1 мкс, создаваема€ двум€ RC цепочками на элементах R9-R12 и C2, C3.  роме того, усилитель должен обладать внутренней частотной коррекцией, дл€ чего добавлен конденсатор —1, ограничивающий частоту единичного усилени€ цифрой 5 м√ц. ¬ качестве входного сигнала примен€етс€ пр€моугольной формы частотой 4 к√ц с зат€нутыми фронтами по 10 мкс.

»нтерес представл€ет напр€жение ошибки, формируемой на входе дифкаскада, между его Ђ+ї и Ђ-ї входами (на схеме отмечено красным маркером, показываетс€ разностное напр€жение).



¬ предыдущем разделе было показано, что дифкаскад на двух транзисторах вносит большие искажени€ в усиливаемый сигнал при его амплитуде пор€дка 10 м¬, а при 50 Ц 100 м¬ искажени€ просто недопустимые. ѕриведенна€ модель усилител€ показывает амплитуду 90 м¬. Ёто означает, что усилитель будет вносить дикие искажени€ на нестационарном сигнале.

„то надо сделать дл€ устранени€ дефекта? ƒа почти ничего, установить добавочные резисторы в эмиттеры транзисторов дифкаскада, что увеличит рабочий диапазон в несколько раз и исключит ограничение сигнала во входном каскаде.  онечно, это потребует сохранени€ большего рабочего диапазона и в последующих каскадах, до узла частотной коррекции. ƒа и самих усилительных каскадов станет больше. Ќу а раз деталей больше, то это производителю невыгодно.

ѕотребителю представл€ютс€ цифры дл€ стационарного сигнала и в этой, извините, Ђцифириї между схемными решени€ми разница мало заметна.   тому же, усилители в интегральном исполнении должны работать в широком диапазоне питающих напр€жений и чувствительности усилител€, поэтому ограничение коэффициента усилени€ входного каскада примен€етс€ крайне-крайне редко.

— радиолампами проще, у них довольно низкий коэффициент усилени€, поэтому этой проблемы нет в принципе.

¬ообще-то, существует р€д усилителей, в которых пытались уменьшить вред от общей обратной св€зи, или убрать ее вовсе. ћечтой моего детства был секс на колесе обозрени€. јтмосфера возвышенна€, кровь кипит и р€дом красива€ барышн€. ≈сли еще и застр€ть где то на высоте, вообще жесть была бы. “ут не важна киска , а важен не сам процесс, а то где и с кем. Ќашел € в парке подругу, купили билетики на колесо. ≈сли вкратце, то секса не получилось, зато минет был отличным. ќсуществл€лось сие использованием местной обратной св€зи в каждом каскаде, что рассмотрено в данном разделе входного каскада усилител€ Ц резисторы R3 и R5.

 ак показали прослушивани€, у таких усилителей лучше передача сигнала при заведомо худших технических характеристиках (уровне гармоник). Ќюанс в том, что технические характеристики измер€ютс€ на стационарном сигнале, чаще всего 1 к√ц. —тоит отметить, что отсутствие общей обратной св€зи, в р€де композиций, отмечалось как негативный момент. Ћично мое мнение Ц улучшение св€зано не с отсутствием общей обратной св€зи, а с тем, что каждый элемент усилител€ получил большую перегрузочную способность.

ѕо поводу общей обратной св€зи есть еще одна проблема. ќна напр€мую не св€зана с перегрузочной способностью входного каскада, но приводит к тем же непри€тным последстви€м Ц в усилителе должна присутствовать частотна€ коррекци€. ƒл€ получени€ малой величины напр€жени€ ошибки во входном каскаде, что крайне желательно с точки зрени€ минимизации в нем искажений, необходимо обеспечить высокий коэффициент усилени€ всех каскадов усилител€. ”вы, это неизбежно приведет к неустойчивой работе вплоть до самовозбуждени€.

Ћекарство одно Ц частотна€ коррекци€, уменьшающа€ общий коэффициент усилени€ по мере роста частоты сигнала.  ак следствие данной топологии Ц с повышением частоты сигнала растет уровень сигнала ошибки в дифференциальном усилителе, что увеличивает коэффициент гармоник этого каскада.  роме того, с повышением частоты падает усиление в цепи, охваченной обратной св€зью, что уменьшает эффект подавлени€ искажений усилител€.

ѕрименение местной обратной св€зи снижает коэффициент усилени€ каскадов, и это уменьшает усиление всего устройства, но из-за требовани€ устойчивости в усилителе должна примен€тьс€ частотна€ коррекци€. ѕоследн€€ ограничит усиление на высоких частотах примерно тем же значением, что и без применени€ местной обратной св€зи.  ак следствие, усилитель только с общей обратной св€зью лучше передает низкие и средние частоты, но зато у него есть потенциальные проблемы с передачей высоких частот Ц повышенна€ веро€тность по€влени€ интермодул€ционных искажений.

”силитель с местной обратной св€зью проигрывает по уровню гармоник редакции с общей обратной св€зью дл€ низких (и средних) частот.


Ћинейный усилитель

—ледующим звеном, после входного каскада, следует линейный усилитель.  ачество его работы оказывает вли€ние на функционирование всего устройства и при неудачном схемном решении можно всЄ Ђлегко и непринужденної испортить. Ёта часть усилител€ охватываетс€ общей обратной св€зью и искажени€, возникающие в нЄм, компенсируютс€. ¬от только не стоит возлагать на последнее повышенные ожидани€ Ц единожды возникнув, искажени€ уже никогда не исчезнут. —уществует множество схемных решений подобного узла, поэтому вынести какую-то одну общую рекомендацию затруднительно. ѕросто перейдем к третьей части.

¬ыходной каскад

¬ыходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Ёто означает работу с большими напр€жени€ми и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составл€ющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам.  роме того, геометрические размеры усилител€ и теплова€ мощность, рассеиваема€ на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. ¬сЄ это накладывает весьма жесткие требовани€ к возможным схемным решени€м, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса ј¬.

»де€ работы каскада заключаетс€ в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питани€ в соответствующие моменты времени. Ёто хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшаетс€, то всЄ более значимым становитс€ момент перехода через нуль Ц именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. ƒл€ уменьшени€ вносимых искажений, в усилителе устанавливаетс€ некоторый минимальный ток поко€ выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) дл€ небольшого уровн€ сигнала.

“о есть, фактически вводитс€ небольшой режим ј, отсюда и по€вилась эта буква в названии класса AB. ”вы, делать очень уж большой ток поко€ нельз€, страдает эффективность усилител€ Ц фактически, эта мощность будет тратитьс€ всегда, есть ли сигнал или нет. ѕри увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток поко€ исчерпываетс€, и могут последовать коммутационные искажени€.

ƒл€ обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно дл€ низкого уровн€ гармоник высокого уровн€) и обеспечит рассасывание зар€да (устран€ет дефект коммутации дл€ высокочастотного сигнала). »ли можно пойти дальше, использовать режим Ёј Ц Сэкономичный јТ (Non switching , Super A). ¬ этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшатьс€ по мере увеличени€ выходного напр€жени€ противоположной пол€рности.


ƒл€ моделировани€ классов AB и Ёј следующа€ схема:



ѕосмотрим ток выходного каскада. Ќа всех картинках верхний рисунок относитс€ к классу AB, нижний Ёј. ƒанные снимались дл€ случа€:
AB Ц ток поко€ уменьшалс€ от 250 мј до 80 мј.
Ёј Ц ток поко€ оставалс€ неизменным, 150 мј, мен€лась агрессивность управлени€ током неактивного плеча Ц от наиболее активного до полного отключени€ управлени€ током транзистора.

¬озьмем два случа€ Ц амплитуда сигнала 1 вольт и 10 вольт:



ѕри низком уровне сигнала класс AB работает в режиме A и потому не вносит каких-либо видимых искажений. ” класса Ёј с этим несколько сложнее, потенциально присутствуют четные гармоники из-за очевидной несимметрии тока. Ќо это только Ђпотенциальної, избыточный ток протекает через транзистор противоположного канала и не попадает в нагрузку. ѕроще говор€, через источники питани€ течет ток с относительно небольшим уровнем гармоник, что не приводит к негативным последстви€м.

ѕри увеличении уровн€ сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а Ёј продолжает пытатьс€ им управл€ть. ¬згл€нем подробнее на место переключени€:



‘актически, в классе Ёј оба плеча одновременно формируют выходное напр€жение. “еперь обратимс€ к спектру гармоник. ¬ данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 √ц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напр€жение 10 вольт.



ƒл€ класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока поко€, а у Ёј лучшие результаты достигаютс€ при средней степени агрессивности управлени€ током. —корее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управлени€ током транзистора Ц на момент перехода транзистора из рабочего состо€ни€ в нерабочее его ток мен€етс€ довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устран€етс€ компенсацией управлени€ током в противоположном плече.

¬ схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах примен€етс€ либо класс ј, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказываетс€ классом Ёј с низким или отсутствующим током управлени€ (фиолетовый и серый график). ≈сли сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.


¬ыходное сопротивление усилител€

ќбычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной св€зи.  ак-то сложилось, что данное решение считаетс€ правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Ќо действительно ли это хорошо? –ассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам Ц потери и искажени€ в проводах, соедин€ющих усилитель и динамики, а также искажени€ в самих динамических головках при перемещении диффузора.

ƒовольно давно обнаружен эффект изменени€ сопротивлени€ медного проводника при воздействии током разной силы и частоты, так называемый Ђполупроводниковый эффектї. ¬еличина изменени€ незначительна и никак не про€вл€ет себ€ в обычных област€х применени€ Ц передача электроэнергии, блоки питани€, но приводит к искажени€м при использовании его дл€ передачи сильноточного звукового сигнала от усилител€ к акустическим системам. ƒл€ обхода этой проблемы выпускают проводники из меди со специальной технологией изготовлени€, Ђбескислородна€ медьї.  роме того, соединители и разъемы тоже обладают свойством вносить искажени€ в передаваемый сигнал, ведь их сопротивление сочленени€ непосто€нно во времени, хоть и мало по величине.

¬ тесте будут участвовать идеальные усилители с трем€ типами выходного сопротивлени€:
— крайне низким выходным сопротивлением.
¬ыходное сопротивление усилител€ в четыре раза больше сопротивлени€ нагрузки.
”силитель работает в режиме 'источник тока' и его выходное сопротивление крайне велико.


¬ симул€ции будет использована следующа€ модель:



ƒл€ эмул€ции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Ўоттки. ћожно было создать искажени€ линейной нагрузки любым другим способом, дл€ теста это не существенно. ¬ данной симул€ции измер€ютс€ токи через нагрузки, а не напр€жени€. Ёто вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так дл€ электростатических излучающих элементов).

’отелось бы остановитьс€ на цветной идентификации графиков:
«еленый Ц контрольный, идеальный случай. ¬о всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
 расный Ц обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
„ерный Ц усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
—иний Ц выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Ќет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. √ораздо интереснее посмотреть на спектр:



¬ы видите здесь зеленый график? я Ц нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Ёто означает, что увеличение выходного сопротивлени€ усилител€ уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.

“еперь перейдем к другой проблеме Ц изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. ¬ тесте будут участвовать всЄ те же три усилител€, а эмул€цию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6. —хема выгл€дит следующим образом:



—оображени€ по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуетс€. ѕосмотрим на спектр:



Ќалицо €вные интермодул€ционные искажени€.  ак и в предыдущем тесте, по мере увеличени€ выходного сопротивлени€ усилител€ уменьшаютс€ негативные последстви€ изменени€ свойств дроссел€ (то есть индуктивности катушки динамика).

—уществует еще один нюанс, св€занный с выходным сопротивлением усилител€ Ц импеданс акустической системы непосто€нен в рабочей полосе частот. ¬ области низких частот внос€тс€ резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, дл€ средних частот Ц разделительный фильтр оказывает вли€ние в област€х раздела рабочих полос динамиков.

 роме того, зачастую акустические системы проектируютс€ под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботитс€ о сохранении посто€нного импеданса акустической системы. ≈сли одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный посто€нный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. ≈сли такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучани€ станет другим.

¬прочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные €влени€ в низкочастотной части компенсировать нельз€. ѕоправка Ц можно, но крайне непри€тно Ц придетс€ ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.

≈стественно, в серийных конструкци€х никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречаетс€ крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучани€ басов Ц возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличитс€ врем€ призвука. Ётот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием Ц помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и в€зкостью в окна с обратной стороны динамика.

ќт себ€ хочу добавить, что такой прием не слишком хорош, и у него есть возможные непри€тные последстви€, поэтому лучше мен€ть тип выходного сопротивлени€ усилител€ в зависимости от частоты сигнала, чем Ђиздеватьс€ї над динамическими головками. ¬ этом вопросе важно то, что переход на усилитель с токовым выходом мен€ет характер звучани€ и кому-то это может нравитьс€ или не нравитьс€, но у него нет ничего общего с устранением искажений в акустической системе, озвученных в последних двух тестах.

»так, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? ”вы, пр€мо следует из технологии. ¬ усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает обща€ обратна€ св€зь. „ем она мощнее, чем больший запас петлевого усилени€, тем лучше компенсируютс€ все искажени€ в усилителеЕ в том числе и выходное сопротивление. ¬ усилител€х на радиолампах глубина обратной св€зи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, €вл€ютс€ скорее источниками тока, чем сопротивлени€ми).

 ак следствие, ламповые усилители обладают отнюдь не низким выходным сопротивлением, а потому Ц смотрите раздел Ц в некоторой степени компенсируют негативные элементы в акустической системе и соединении с усилителем. „то мешает такое же реализовать в Ђтранзисторномї исполнении?...


¬ыводы

«наете, эта истори€ с развитием схемотехники очень напоминает эволюцию советского общественного транспорта. ¬ Ђзастойныеї времена автобусы благодар€ слабым моторам медленнее набирали скорость, на дорогу у мен€ уходило 25-40 минут. ¬ постперестроечный период парк автомобилей сменилс€, повысилась мощность мотора и эффективность тормозной системы.  ак следствие, на дорогу стало уходить от получаса до нескольких часов, но речь не о том. ”величение мощности двигател€ привело к тому, что отча€нно ощущаешь себ€ Ђдровамиї.

ѕонимание того, что водители этого вида транспорта €вл€ютс€ профессионалами своего дела, плохо скрашивают ощущени€ старт-стопного режима в пробке. Ѕыстрый разгон и малое врем€ торможени€ Ц отличный способ двигатьс€ в потоке, вот только о дровах забыли? Ѕолее мощна€ динамика автобуса позвол€ет быстрее доставить до места, но кому нужна экономи€ п€ти процентов времени такой ценой?

—о схемотехникой усилителей схожа€ беда. ƒа, транзисторы эффективнее и лучше радиоламп. ѕри конструировании аппаратуры можно получить сверхнизкий уровень гармоник и других характеристик усилител€ (выходное сопротивление, скорость нарастани€ выходного сигнала, максимальна€ частота и прочие), но с какими последстви€ми? ƒело не в количестве компонентов, SOT-23 или интегральные решени€ занимают мизерное место, по сравнению с одной единственной радиолампой. ѕроблема кроетс€ в подходе Ц в борьбе за Ђкрасивые цифрыї часто забывают о главном - качестве звучани€.

ƒовольно показательно отношение разных фирм к схемотехнике усилителей Ц €понские модели обладают лучшими техническими характеристиками, чем европейские разработки, но звучат хуже. ƒанное мнение было высказано авторитетным источником, но довольно давно, поэтому ссылки привести не могу. ¬прочем, € с ним согласен, мои аргументы изложены в этой статье. –адиолампы Ц атавизм, которому пора уходить. ѕросто надо использовать нормальные схемные решени€, учитывать всЄ нюансы и проблемы, а не гнатьс€ за красивыми цифрами. —огласны вы с этим или нет, выбор за вами. ѕожалуйста, сделайте его осмысленно.

ћатериал с сайта overclockers.ru
      
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 23.11.2011 22:48 
—ѕЅ
bass

какой смысл сравнивать столь детально технические характеристики ламповой и транзисторной техники, если ламповые гитарные усилители €вл€ютс€ абсолютным стандартом любой профессиональной сцены, и музыканты уже давно сделали свой выбор)))) —уть проблемы напоминает хорошую русскую пословицу: сколько волка не корми, а у слона всЄ равно толще...
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 26.11.2011 12:03 
ћосква
Ibanez2620

ну да Ёто как сравнивать авто и велосипед јвто быстрое а велосипед воздух не портит.ѕусть будет изобилие)
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 23.01.2012 21:36 
ѕитер
гитара, вокал

ј мне так и транзисторные усилители нрав€тс€ если они сделаны нормально, в принципе к лампам € воопще равнодушен, хот€ на киловатах без них не обойтись очевидно. “ут такой нюанс еще, который часто остаетс€ за кадром. “ранзисторы чуствительны к тепловому режиму , при их нагреве искажени€ весьма возростают и могут дать такое жесткое звучание что слушать долго будет невозможно, чем, кстати, отличалс€ наш отечественный усилок " орвет", который хоть и писали Hi-Fi, но слушать было невозможно, он и грелс€ как кип€тильник на выходных транзисторах. „то дл€ ламп, этот нагрев, воопще пофиг, на звучании это не отражаетс€. ѕоэтому в усилках на транзисторах, если это считать как высококачественный прибор, тепловой режим должен быть нормальным в первую очередь, т.е. с хорошим теплоотводом (с массивными радиатарами) дл€ тех транзисторов что греютс€ в том или ином режиме.
ƒелаю активную гитарную электронику, симметричные схемы- супер.
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 14.02.2012 22:49 
ћосква


вс€ музыка сыграна на лампах и культура звука т€жЄлого основанна на лампах .на минимально искаженном режиме получаем очень т€желый плотный звук.
Ћампа позвол€ет ощущать электро гитару как аккустическую и играть на ней соответствующим образом не полага€сь на синтетическое искуственно продлЄнное транзисторное звучание.јтавизм ли лампы?? тогда испанска€ гитара тоже атавизм....
8-903-188-04-02
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 19.02.2012 00:13 
Moskva
Gibson, ATTR...

дорогой автор! спасибо за статью. она классна€.

интересно ваше мнение.

если современна€ оцифровка звука позвол€ет производить высочайшую степень квантовани€, а вопрос объЄма и скорости пам€ти наверное уже не стоит, что мешает перебрать Ќ” ¬—≈ варианты Ќ” ¬—≈’ усилителей. и ламповых, и транзисторных, и гибридов... и спокойно выдавать эмул€цию „≈√ќ ”√ќƒЌќ без потери аутентичности.

итак, вопрос!

заменит ли цифра и лампу и транзистор?
если забан€т - считайте мен€ программистом...
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 25.02.2012 01:36 
 иев
€ не музыкант

>дорогой автор! спасибо за статью. она классна€.
>интересно ваше мнение.
>если современна€ оцифровка звука позвол€ет производить высочайшую степень квантовани€, а вопрос объЄма и скорости пам€ти наверное уже не стоит, что мешает перебрать Ќ” ¬—≈ варианты Ќ” ¬—≈’ усилителей. и ламповых, и транзисторных, и гибридов... и спокойно выдавать эмул€цию „≈√ќ ”√ќƒЌќ без потери аутентичности.
>итак, вопрос!
>заменит ли цифра и лампу и транзистор?

ћилейший, вопрос стоит не корректно. ÷ифровой звук требует усилени€ после цифро-аналогового преобразовани€!
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 13.03.2012 20:35 
www.ru
 Ќопкодав¬Џ

SACD этого нетребует,а будущее за ним все таки...
јвтор
“ема: Re: ”силитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)
¬рем€: 19.02.2013 14:12 

ба€н

јвтор, по моему, сгущает краски.
—кажу сразу, он знает или где подсмотрел электронику.
Ќо в насто€щее врем€ ситуаци€ не та.
≈сли покупать усилить, к примеру, ямаха, за 1к $, то это одно звучание, а если за 100 и выше $, а они всЄ те же на полевых транзисторах, то это совсем другое дело.
јвтор наверное знает на каких элементах сделана "начинка" синтезаторов, гитар, радиомикрофонов? Ќа лампах? Ќет, уважаемый.
» тогда, какой смысл усиливать изначально порочный сигнал лампами?.
ѕовтор€ю, ситуаци€ в борьбе лампы-транзисторы изменилась.
 ому надо высокое качество, те денег не жалеют. ќни их заработают на концертах.
ƒругое дело повседневному слушателю, даже меломаны, за такие деньги она не нужна.
√де слушать? ¬ квартире 25-35 кв. м? Ќаивно, ѕохвастатьс€ перед друзь€ми? Ќу может быть, пусть покупает, но он не "выжмет" из нее того, на что она рассчитана.
¬ этот форум могут писать только зарегистрированные пользователи!