Привет ребята!
Нашёл в коробке с радиодеталями, усилитель от проигрывателя Радиотехника 301, на кремниевых транзисторах. Решил по схеме спаять к нему питание и вход-выход на колонки - и послушать как он звучит. И просто интересно - работает ли он? После включения заработал, но на малой громкости я заметил искажение звука, которое называют "ступенька".
Когда то давно, у меня был друг Гриша, он был помешан на усилителях и качественном звуке. Я часто вспоминаю общение с ним, и то, что мне удалось вспомнить, постараюсь изложить в этой публикации.
В мире аудиотехники, класс "АВ", давно уже стал компромиссом. От класса "А" он взял малые искажения сигнала на малой громкости. А от класса "В" высокий КПД на большой мощности. Но у всякого компромисса есть цена, и имя ей - "ступенька". Мой друг Гриша, считал "ступеньку", главным врагом естественного звучания.
Давайте попытаемся разобраться в физике этого явления. И, я приведу мнения известных инженеров в области звука , в частности Н. Е. Сухова , известного инженера акустика, и популяризатора Hi-Fi ,в СССР.
Что такое "ступенька".
Передо мной на столе лежит плата усилителя от проигрывателя "Радиотехника". Я смотрю схему - двухтактный выходной каскад на комплиментарных транзисторах. Верхнее плечо отвечает за положительную полуволну сигнала, нижнее - за отрицательную. В идеале передаточная характеристика каскада должна быть строго линейной, как идеальная прямая через ноль. В реальности же, когда сигнал проходит через ноль, одно плечо ещё не успевает приоткрыться, а другое уже полностью закрылось. Возникает микроскопический провал усиления, который на экране осциллографа выглядит как излом синусоиды- та самая "ступенька". Ну если быть точнее , даже не излом, а разрыв или точка перегиба.
"Гриша, а почему появляется"ступенька?"- спрашивал я. И получал такой ответ, что причина кроется в биполярных, да и полевых транзисторах. Для начала их отпирания , нужно напряжение база-эмиттер. В классе "АВ" через оба транзистора задают небольшой ток покоя, чтобы сместить рабочую точку на границу отпирания. Но пока один транзистор плавно уменьшает ток, а другой увеличивает, их крутизны складываются с "провалом" в центре.Возникает зона пониженной проводимости. Если ток покоя мал, яма глубокая – ступенька широкая. Если ток завысить, транзисторы не будут закрываться вовсе, и каскад превратится в горячий класс A, потеряв в экономичности, но значительно лучше в качестве звука. В любом реальном "AB" каскаде избежать узкой зоны нелинейности полностью невозможно.
Ещё в конце 90х годов, Гришка собрал усилитель класса "А", Джона Линсли-Худа. И результат его настолько впечатлил, что другие усилители мощности он уже не признавал.
Я часто бывал у него в гостях, в гараже или как он называл её "лабалатория". Чтоб спокойно от жены и детей слушать любимую музыку. У него был знаменитый УМЗЧ ВВ. Сухова. Так же был усилитель Агеева, тот самый на микросхеме и 4 транзисторах и колонки по схеме Солнцева.
Я особой разницы в звучании не замечал - но эти аппараты звучали просто отлично и легко! Именно на них можно было услышать огрехи обрезки MP3 дорожек. При обработке , программа кодер обрезает то, что маскируется соседним более мощным сигналом, или просто очень слабо слышится. Программа выполняет все с ювелирной точностью. Особенно при битрейте 128 кБит и ниже.
Чем неприятна "ступенька". Не просто гармоники а окраска.
Любая нелинейность, создаёт гармонические искажения звука. Но у "ступеньки" коварный спектр. Пологий сигнал в области перехода через ноль создаёт высокочастотные составляющие, 3-ю, 5-ю, 7-ю гармоники и выше. Они находятся далеко от основного тона и почти не маскируются музыкальным сигналом. Наш слух воспринимает их как металлический призвук, жестковатость, "песок" на высокочастотном спектре. Что ещё хуже, из-за того, что глубина "ступеньки" слабо зависит от амплитуды сигнала, относительный уровень высоких гармоник максимален как раз на малой громкости -именно там, если мы слушаем тихую музыку. Именно поэтому усилитель, измеряемый по классическому КНИ в 0,01% на номинальной мощности, может звучать утомительно на четверти ватта.
Помню в "лабалатории", у Гриши лежали журналы Радио, особенно отмечены статьи двух авторов - Беспалова и Пикерсгиля. У них был спор нужно ли снижать КНИ, намного ниже порядка обнаружения на слух до 0.00000 (вязанка нулей), или вполне хватит 0.01%, для хорошего звука. ДА! Был уверен один автор.
НЕТ! Был уверен другой.
А что говорил Сухов о "ступеньке"?
С появлением интернета, я находил интервью Николая Евгеньевича, и он довольно интересная личность. Он именно инженер, а не какой то аудиофил. В его рассказах нет какой ностальгии, он выступает за современный прогресс, усилители класса D. Много раз высказывался про превосходство цифровой записи над аналоговой.
Его знаменитый усилитель, улучшил автор Жуковский - и Сухов его за это хвалил.
Николай Евгеньевич Сухов, в своих работах, конца 70-х и начала 80-х годов, которые печатались в журналах Радио и В помощь радиолюбителю, поднял тему борьбы со "ступенькой" на стадии проектирования.
Он подчёркивал:
"Ступенька – это не просто нелинейность, а локальный дефект, порождающий наиболее заметную на слух группу искажений. Интегральный КНИ тут бессилен. Видеть нужно спектр и форму сигнала на переходе через ноль."
Сухов утверждал, что "даже очень узкая и симметричная ступенька придаёт звуку характерную разбитость и сухость". По его мнению, главная беда массовых усилителей "АВ" той поры была не в шумах и не в ограниченной полосе, а именно в неоптимальном токе покоя выходного каскада. Он настаивал, что ток покоя следует выставлять не "на глаз" по исчезновению ступеньки на осциллографе, а по минимуму высокочастотных гармоник с помощью анализатора спектра или тщательного слухового контроля. Но на слух - это крайне сложно. Тут надо иметь и высококачественную акустику, и помещение и соответственно "настроенные уши".
Кроме того, он популяризировал концепцию "непереключающегося" усилителя, который динамически подстраивает смещение так, чтобы ни одно плечо не запиралось полностью ни при каких условиях, оставаясь формально в классе АВ, но без резкого излома.
Практические советы от Сухова.
Я поискал литературу и журналы, чтобы найти ответы по поиску решения, как минимизировать "ступеньку". Список литературы я приведу ниже.
1. Правильное смещение.
Надо выставить такой ток покоя, при котором взаимная крутизна плеч меняется плавно, без локального минимума. Он предупреждал, что осциллограф недостаточен- видимое сглаживание часто маскирует остаточную нелинейность.
2.Скоростные транзисторы и грамотная обратная связь.
В области ступеньки петля общей ООС работает с колоссальной перегрузкой по скорости, порождая динамические искажения (TIM, DIM). Сухов рекомендовал использовать широкополосные выходные транзисторы и не гнаться за рекордно глубокой ООС, а обеспечивать её высокое быстродействие.
3.Схема с "плавающим" смещением.
Он предлагал варианты динамической термостабилизации и системы, которая принудительно удерживает оба транзистора в активном режиме, плавно перераспределяя токи, не давая ни одному запереться.
4.Слуховой контроль малого сигнала. Сухов часто повторял, что лучший индикатор ступеньки - тихая скрипка или женский вокал на фоне пианино Если звук становится резким или "стеклянным" - ищите неоптимальный ток покоя.
Николай Евгеньевич Сухов, по сути, воспитал целое поколение радиолюбителей, для которых "ступенька" стала не просто осциллограммой, а сигналом , что с усилителем не всё в порядке. Его мысль о том, что "технические цифры должны уступить место физике звука", не потеряла значения и в эпоху цифровых усилителей класса "D". Переходные искажения никуда не делись, просто изменили форму. Поэтому, настраивая или выбирая усилитель класса "АВ", стоит вспомнить призыв Сухова -ищите "ступеньку" и беспощадно минимизируйте её -ваш слух оценит чистоту, которую не выразить одной цифрой КНИ.
Список используемой литературы
Дуглас Селф (Douglas Self) "Проектирование усилителей мощности звуковой частоты" (третье издание, издательство 2009 год).
Журнал Радиохобби 2006г. Автор Сухов.
УМЗЧ ВВ. Автор Сухов 1989 г.
Журналы Радио 1980-1989 года
Журнал В помощь радиолюбителю