Лампа vs транзистор
Ведущие разработчики аудио постоянно находят новые технические решения для воспроизведения звука о максимально схожего с оригиналом. За последние полвека достигнут большой шаг вперёд и в области акустики и с её адаптацией к конкретному помещению, и в области звукоусилительной техники.
Наблюдаемые явления в отличии звучания того или иного УМЗЧ, часто не поддаются измерениям, научному обоснованию, а проявляются на уровне эмоций и ощущений – настолько высока разрешающая способность человеческого слуха.
Слышимые границы частот человеком при средней громкости (50…60 дБ) находятся приблизительно в пределах 20…20000 Гц. Но человек все же воспринимает наличие, либо отсутствие высших гармоник, лежащих в ультразвуковой области 25...60 кГц. Поэтому появляется АС, которые способны воспроизводить частоту до 90 кГц.
Что же касается гармонических искажений, то в монофоническом воспроизведении они могут быть не заметны до 3…5%, а в стереофоническом режиме разрешение слуха возрастает до 0,5…1% при условии, что спектр ограничен первыми 3...5 гармониками.
Самыми первыми усилительными приборами были лампы. Для согласования высокого выходного сопротивления ламп с низкоомной нагрузкой использовались и используются по сей день трансформаторы. При этом выходное сопротивление схем УМЗЧ получается в несколько единиц Ом, что вызывает «рыхлый» бас и отсутствие динамического контраста.
Фанатов ламповых усилителей прежде всего привлекает специфический окрас звука, который характеризует его как «теплый», «бархатный» и т.п., что не имеет ничего общего с исходным звучанием.
Трансформатор работает как полосовой фильтр, внося наряду с искажениями существенные фазовые сдвиги на краях полосы пропускания. Это одна из причин отказа от использования ОООС.
В итоге ламповые УМЗЧ, по сравнению с транзисторными, не смогли «подмочить свою репутацию», но и не могут обеспечить по-настоящему реальное звучание из-за ряда присущих недостатков.
В транзисторных же усилителях, наоборот, есть все предпосылки для использования глубокой ООС, которая, помимо снижения нелинейных искажений при работе на активную нагрузку, обеспечивает близкое к нулю выходное сопротивление. Эти перспективы затмили ламповое направление, и о лампах на время забыли.
Такие УМЗЧ, распространившиеся в 60…70 годах прошлого века, строились на принципах так называемых операционных усилителей, и имели по всем объективным показателям огромные преимущества перед ламповыми.
Им был присущ низкий уровень нелинейных искажений, крайне малое выходное сопротивление, широкий диапазон частот, большая мощность, более высокий КПД, небольшая масса и размеры.
Лампы проигрывали таким усилителям по всем показателям, кроме одного. Субъективно они звучали более «мертво», более отстраненно, чем ламповые усилители с более скромными характеристиками. В то же время ламповые схемы, несмотря на шум, ограниченный диапазон частот и искажения, звучат гораздо более эмоционально.
Разные подходы к построению схем транзисторных УМЗЧ
Дело в том, что технические характеристики транзисторных УМЗЧ, на самом деле, плохо коррелируют с качеством звука. Причины этого кроются в специфике работы схем с ООС на реактивную нагрузку. По этой причине возможно «транзисторное» звучание и чисто ламповых схем. Даже простые однотактные транзисторные усилители с неглубокой ООС звучат намного интересней, чем «глубокоОСные».
На практике в развитии схем УМЗЧ есть несколько абсолютно противоположных направлений:
Схемы усилителей с отрицательным выходным сопротивлением с помощью ПОС по току выхода – ИТУН с бесконечно высоким выходным сопротивлением;
БезОСные УМЗЧ – схемы с глубокими ОООС;
Усилители переменного тока – усилители постоянного тока;
Однотактные схемы – двухтактные схемы.
Под все направления подведены теории, согласно которым именно такое решение единственно правильное. В том числе и утверждение, что местные ОС неэффективны и основной упор надо делать на общую ООС. Каждое из направлений находит как сторонников, так и противников.
Однотактные ламповые схемы УМЗЧ считаются самыми «аудиофильскими» из всех. Но, как и положено любой богеме, за яркой мажорной оболочкой скрывается весьма «червивая изнанка». Сторонники однотактных схем, подверженные «вкусовщине», считают, что в цирклотронах «звук не живет», ценители же «правильного» звука, напротив, считают, что из всех ламповых, да и транзисторных усилителей только цирклотроны способны обеспечить максимально приближенный к натуральному звук.
При анализе так называемого «транзисторного» звучания, в каком только углу не искали «черную кошку»: и в тепловых искажениях; и в искажениях типа «ступенька» (но давно уже никто не делает схемы в чистом классе В, а в ламповых усилителях они тоже есть из-за петли гистерезиса трансформаторов), и в жестком клипировании (но запас по питанию «выше крыши» и никакого клипирования нет и в помине, и звука тоже), и в росте искажений с ростом частоты, и в отсутствии роста искажений с ростом выходного напряжения вплоть до клипирования (в ламповых же усилителях происходит плавное нарастание искажений, кстати, и в «безОС- ных» транзисторных тоже). Очередной миф. Можно подумать, что приращение искажений делает громкую музыку лучше. Просто в ламповой схемотехнике с этим характером искажений невозможно эффективно бороться.
Нынешние ламповые схемы – это кажущийся возврат к прежней схемотехнике, но на другом уровне, под лозунгом «никаких компромиссов»: все подчинено только качеству звука. В техническом отношении он выливается, по сути, в отрицание HI-FI – никаких ОС, никаких двухтактников, только триоды. Сменилась сама парадигма: важны не объективные показатели, замеренные приборами (они-то как раз обычно невысоки), а субъективные ощущения слушателя.
И здесь доходит до абсурда, когда относительно простые и дешевые гибридные усилители с первых секунд переигрывают дорогие ламповые брэнды. Надо сказать, что гибридные усилители сочетают в себе лучшее из ламповых и транзисторных схем, и лучшим из них свойственны «великолепная середина, масштабная звуковая сцена, обилие воздуха и общая музыкальность». Они более неприхотливы к капризам акустики, чем чисто ламповые УМЗЧ.
Несмотря на то, что частота основных гармоник человеческого голоса и музыкальных инструментов едва превышает 4 кГц, спектр их лежит далеко за пределами звукового диапазона. При записи они неизбежно теряются. В результате, как бы точно не воспроизводил электрический сигнал «глубокоОСный» транзисторный УМЗЧ, звучание получается непривлекательным, «бестелесным».
Очевидно, ламповые усилители, хотя и вносят сравнительно большие искажения, обладая благоприятным спектром гармоник и в некоторой степени эффектом реверберации, приближают «консервированную» музыку к первоначальному виду.
Известно, что низшие гармоники (до пятой) отвечают за ламповую окраску звука: вторая гармоника придает звуку «бархатность» и «теплоту», третья – «прозрачность», «воздушность» и «яркость» (ведь никого не раздражала 3-я гармоника до 3-х и более процентов в магнитной записи), а нечетные гармоники, начиная с седьмой и выше, являются диссонирующими – неприятными для слуха.
Не удивительно, что транзисторный УМЗЧ с вносимыми искажениями более 3 процентов (преимущественно 3-я гармоника) также нашел восторженных поклонников.
Однако, красота звука и естественность звучания – совершенно разные понятия, между которыми часто пытаются поставить знак равенства. Просто неискушенные слушатели подвержены вкусовщине, потому и «ведутся» на гармонизацию звука.
По этой причине в качестве студийной контрольной аппаратуры ламповую технику практически не используют, так как тут необходим бескомпромиссный, минимально окрашенный, не вводящий в заблуждение звук. Транзисторный усилитель не выдаст желаемое за действительное.
УМЗЧ с токовым выходом, а также с регулируемым выходным сопротивлением очень капризны к акустике, на ряде АС увеличение выходного сопротивления усилителя никак не проявляется, а на других вместо улучшения качества звучания приводит к характерному «бубнению».
Улучшение иногда можно рассматривать как благоприятное изменение (исправление) АЧХ для конкретной АС. К такому же результату приводит и аналогичное исправление АЧХ с помощью многополосного регулятора тембра. Основной козырь сторонников ИТУН – это борьба с противо-ЭДС, в то же время совершенно забывают о такой мощной силе, как обратная ЭДС самоиндукции.
Итоговое сопротивление АС формируется целым букетом свойств громкоговорителей (как механических, так и электрических), акустического оформления, разделительных фильтров, акустических проводов и т.д., которое в области НЧ может снижаться в 5-7 раз, а по некоторым данным даже до отрицательного значения, особенно на записях с глубокой компрессией, где НЧ сигналы представляют собой практически меандр и таким УМЗЧ не по зубам справляться с его капризами. А так как выходное сопротивление формируется с помощью ОС по току выхода, который существенно сдвинут по фазе по отношению к входному сигналу, то им свойственны повышенные интермодуляционные искажения, особенно на частотах ниже 1 кГц.
Более того, ИТУН вообще не работоспособен на частоте резонанса НЧ-головки, где ее сопротивление может составлять от 20...30 Ом до 150 Ом и более. Но даже для 30 Ом 100 Ватный усилитель должен иметь питание не менее ± 220 В (7 А х 30 Ом +10 В = 220 В), для усиления без клипирования (а что происходит при клипировании с остальными частотами, и так понятно), что нереально реализовать. Здесь 7 А – пиковое значение тока на нагрузке 4 Ома при выходной мощности 100 Вт, 10 В – запас по напряжению питания. Выбросы обратной ЭДС самоиндукции приводят к раннему клипированию даже вдали от частоты основного резонанса громкоговорителей. Поэтому разработчики ИТУН вынуждены использовать источники питания с двойным запасом по напряжению, что снижает КПД.
Плоские АЧХ динамических головок, обеспечивающие правильный тональный баланс, получаются при питании от источника напряжения. Использование токовых усилителей с громкоговорителями, построенными для усилителей напряжения, нецелесообразно, поскольку происходит существенное нарушение тонального баланса. Для обеспечения приемлемого тонального баланса необходим специально разработанный кроссовер.
В ИТУН сила, прикладываемая к диффузору со стороны катушки, также зависит от тока в катушке, который зависит от ее комплексного сопротивления, которое в свою очередь зависит от омического сопротивления катушки, ее индуктивности и от противо-ЭДС, пропорциональной скорости перемещения звуковой катушки в магнитном поле.
Кто работает с шаговыми ЭД, знает, что сигналы противо-ЭДС препятствуют развитию крутящего момента на больших оборотах, а мощные сигналы обратной ЭДС самоиндукции (Back EMF), выбрасываемые на шины питания при торможении, без использования дамперных устройств приводят к аварийной остановке из-за возникающих перенапряжений.
Аналогичные сигналы действуют и на выход усилителя со стороны АС с динамическими головками, только здесь амплитуда выбросов напряжения зависит от схемы выходного каскада и режима его работы. Так как плечи ВК работают на нагрузку поочередно, то рабочее плечо борется с противо-ЭДС (бороться с обратной ЭДС самоиндукции оно не может, так же как не может бороться с выбросом Back EMF источник питания шагового двигателя), а второе плечо, находящееся в отсечке, не способно мгновенно переключиться, чтобы противостоять обратной ЭДС самоиндукции.
Возникающие при этом выбросы напряжения поступают по цепи ООС на вход усилителя и усиленный сигнал коррекции, пройдя через весь тракт с определенной задержкой, скачком открывает запертое противоположное плечо, что и приводит в одних усилителях к характерной жесткости звучания, а в других к послезвучиям, порождая миф о циркуляции сигналов в цепи ООС. С пользой это явление используется, пожалуй, только в обратноходовых конверторах.
Ведущие разработчики HI-FI аппаратуры, по поводу ОООС высказался так: «Без ОС звук начинает быть живым, динамичным..., начинает дышать через вашу систему, ... с самого начала наши транзисторные и ламповые усилители имеют ноль обратной связи, ...обратной связи просто не должно быть. Почему? Потому что начинается регенерация сигнала».
Встречаются и такие реплики: «БезОСные усилители на малых уровнях громкости демонстрируют высочайшую ясность и богатство звука, а с ростом сигнала искажения у них растут быстрее, чем у ОСных. И тем не менее, даже на большой мощности совсем нет грязи и каши. Ну а «первый Ватт» у безОСников звучит так, что после них на ОСные никто не переходит.»
О взаимодействии усилителя и акустики вопрос периодически всплывает в технической литературе, сайтах и форумах, но оставляет после себя больше вопросов, чем ответов.
Мощные сигналы обратной ЭДС самоиндукции за счет падения напряжения на акустических проводах образуют очень большие искажения. С ними и боролся, при разработке УМЗЧ ВВ Н.Сухов, использовав компенсатор сопротивления проводов. Аналогичное решение под названием «Sigma drive system» использует фирма «Kenwood» в профессиональных мониторах, а также многие другие фирмы. Однако, это решение не годится для безОСных усилителей.
В качестве драйвера для безОсного УМЗЧ отлично подходит двухтактный «ломаный» каскод. Если применить ВК с корректором Хауксфорда, то при нулевом сопротивлении источника сигнала и точной балансировке корректора, искажения, вносимые ВК, довольно малы, а его выходное сопротивление стремится к отрицательному.
Даже если уровень TDH доходит до 0,5%, звучание усилителя с отрицательным выходным сопротивлением становится более быстрым и артикулированным, с большим динамическим контрастом, при сохранении шелкового верха и прекрасно читаемой середины (вокала, музыкальных инструментов), сцена становится более масштабной.
В своём интервью В. Лэмм (Шушурин) обронил фразу: «...транзисторный усилитель, построенный по принципу УПТ, каким-то образом сдвигает форманту инструментов, работающих в области басового регистра..., не нарушая узнаваемости звучания самих инструментов». Поэтому он в своих схемах отказался от УПТ и использует переходной конденсатор между драйвером и выходным каскадом Такой же конденсатор вынужденно присутствует и в большинстве гибридных усилителей, что также, вопреки мифу, благоприятно сказывается на звуке.
В УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением переходной конденсатор увеличивает выходное сопротивление источника сигнала на инфранизких частотах, а значит и выходное сопротивление усилителя в этой области частот становится более отрицательным. Таким образом, переходной конденсатор в данном случае улучшает звучание в области НЧ за счет улучшения демпфирования на инфранизких частотах, что эквивалентно действию выходного трансформатора в ламповых усилителях.
Если говорить о компенсации сопротивления проводов, на которое в свое время обратил внимание Н. Сухов, оказывается, что для достижения такого же эффекта, в безОсном УМЗЧ достаточно установить величину отрицательного выходного сопротивления, равной полному сопротивлению акустических проводов.
В этом случае напряжение на выходе усилителя будет выше ровно на величину падения напряжения на проводах, а на клеммах АС оно будет номинальным. Таким образом, все происки обратной ЭДС самоиндукции будут нейтрализованы. Эксперименты на критичность отрицательного выходного сопротивления к различным типам АС, негативных эффектов не выявляют.
Ниже представлен вариант схемы безОсного УМЗЧ. Несмотря на кажущуюся сложность схемы, на самом деле она предельно проста и состоит всего из двух относительно простых каскадов: однокаскадного драйвера и выходного повторителя.
Схема электрическая
Технические характеристики:
Напряжение питания – двухполярное ±40 В;
Начальный ток выходного каскада (ток покоя) – 300 мА;
Уровень входного сигнала – 700 мВ;
Выходная мощность номинальная (4 Ом) – 85 Вт;
Рабочий диапазон частот – 10 Гц…30 кГц;
THD (мин.-макс.) при номинальной выходной мощности (85 Вт) в рабочем диапазоне частот – 0,05…0,2%;
Выходное сопротивление – -0,04 Ω.
Драйвер выполнен на транзисторах VT2…VT9 и работает в режиме А с большим запасом. Коэффициент усиления по напряжению, определяют резисторы R12, R13 и R15. Питание эмиттерных цепей входных транзисторов обеспечивает ОУ DA1.
Ток покоя транзисторов VT2, VT3 задан равным 3 мА с помощью делителя R1, R4, VT1. Транзистор VT1 обеспечивает температурную стабилизацию режимов.
Для снижения рассеиваемой мощности на входных транзисторах и ее стабилизации в их коллекторные цепи включены резисторы R9 и R10.
С помощью интегратора на DA2.1 обеспечивается поддержание нуля на выходе драйвера. Входное сопротивление безОСного ломаного каскода достаточно высокое, так как базовые токи VT2, VT3 в значительной степени взаимно компенсируются, поэтому входное сопротивление усилителя определяется в основном резистором R2.
Входные транзисторы ломаного каскода работают в чистом режиме преобразователя напряжение-ток. Он практически не подвержен влиянию эффектов Миллера и Эрли. Выходные транзисторы каскода VT8, VT9 (каскад с ОБ) работают в режиме преобразования ток-напряжение и также не подвержены влиянию указанных эффектов.
Выходной каскад выполнен на транзисторах VT10…VT21. Величина выходного сопротивления зависит от степени разбалансировки корректора Хауксфорда. Выходное сопротивление УМЗЧ при указанных номиналах корректора Хауксфорда = -0,1 Ом.
Оптимальное значение тока покоя выходных транзисторов – 300 мА, что при спаривании требует внушительных теплоотводов. Поддержание нуля на выходе схемы обеспечивает интегратор на DA2.2.
Возможный вариант печатной платы для схемы приведён ниже.
Итоги
Для максимального приближения звука к натуральному, усилитель должен быть безОСным и иметь выходное сопротивление в пределах от 0 до -0,3 Ом.
Если говорить о параметрах, то предложенная структура УМЗЧ позволяет получить достаточно малые искажения (для безОсника) с очень коротким спектром.
Такие высокие параметры труднодоступны любому ламповому УМЗЧ.
Теперь измеренные параметры полностью коррелируют с качеством звуковоспроизведения. Такой усилитель может донести до слушателя тончайшие оттенки музыки очень тонко и глубоко. Мощность можно получить практически любую, как и в обычном транзисторном усилителе.