ЧАСТЬ 2
А.: Не хочется быть мелочным, но каждый
биполярный (или полевой) транзистор имеет последовательную ООС по току,
которая образуется в результате падения части сигнала на внутреннем
сопротивлении эмиттера (истока) транзистора. Этими связями можно было бы
пренебречь, если бы предлагаемая схема не нмела более серьезных
недостатков. Первый - это на порядок бОльшие (по сравнению с ламповым
усилителем) и неблагоприятные по спектру нелинейные искажения.
Если ламповый усилитель не доводить до клиппинга, гармонические
искажения на его выходе не превышают 1-3%, причем в составе этих искажений
доминирует 3-я гармоника; вторая в результате действия принципа
"тяни-толкай" компенсируется, а высшие гармоники затухают. В усилителе,
показанном на рис. 3, сочетание нелинейностей входных и выходных
характеристик биполярных транзисторов является причиной образования целого
спектра гармонических, а в случае сложного сигнала - значительно больших
по мощности интермодуляционных искажений высших порядков. Специалистам
хорошо известно, что эффективных средств для уменьшения нелинейных
искажений высших порядков нет. Применение ООС даже ухудшает положение, так
как с ее помощью искажения низших порядков преобразуются в искажения более
высоких порядков.
Присутствие в музыкальном сигнале даже небольших по
величине продуктов интермодуляции высших порядков вызывает у слушателя
ощущение "металличности", жесткости, шероховатости, замутненности
звучания, чаще всего такое звучание называют просто
ненатуральным.
Второй недостаток предложенной схемы - это зависимость
параметров усилителя от мгновенной температуры кристаллов транзисторов. В
этом нетрудно убедиться, собрав предлагаемую схему и наблюдая затем, как
гуляют ток в транзисторах и напряжение на выходе усилителя, особенно если
слегка подуть на собранную схему. Можно стабилизировать выход усилителя,
применив для этого так называемый следящий привод (который, кстати,
является разновидностью ООС), однако как решить проблему искажений,
которые принято называть "тепловыми"?
Тепловые искажения (Подробно о
тепловых искажениях см. мою статью в журнале "Техника кино и телевидения".
1987, № 6.с. 10-17 ) возникают, когда изменение сигнала (напряжения и
тока) на выходе транзистора сопровождается изменением рассеиваемой в нем
мгновенной мощности и, как следствие, меняется мгновенная температура его
кристалла, что вызывает следующие явления: в процессе усиления
музыкального сигнала коэффициент усиления по току выходных транзисторов
плавно (из-за инерции тепловых процессов) изменяется на 20-30%. Эти
изменения, в свою очередь, становятся причиной инфразвуковых
интермодуляционных искажений в усилителе, к которым ухо слушателя
чрезвычайно чувствительно.
Другое проявление тепловых искажений
объясняется тем. что напряжение база - эмиттер зависит от температуры
кристалла транзистора. Оказывается, что изменение напряжения (и тока) на
выходе транзистора, которое представляет собой изменение рассеиваемой в
нем мощности, сначала преобразуется а изменение температуры кристалла
транзистора, а затем в изменение напряжения база - эмиттер, которое, в
свою очередь, снова преобразуется в напряжение (и ток) на выходе
транзистора. В результате этих преобразовании в каждом транзисторе
усилителя (и особенно в изображенном на рис. 3) возникает нелинейная
электротепловая отрицательная обратная связь, которая, если не
использовать местные ООС по току, вызывает в области низких звуковых
частот (ниже частоты 150 Гц) уменьшение усиления на 10-15 дБ, я также рост
гармонических и интермодуляционных искажений, которые достигают
10-15%.
Третий недостаток схемы усилителя показав на рис. 3 - это его
недопустимо высокое выходное сопротивление. Если выходное сопротивление
усилителя больше, чем сопротивление громкоговорителя, звучание последнего
характеризуется повышенной гулкостью и затягиванием басов. В связи с этим
международные стандарты в области hi-fi а качестве "минимального
требования" рекомендуют, чтобы выходное сопротивление усилителя не
превышало 1/3 величины сопротивления громкоговорителя.
Обеспечить
требуемое выходное сопротивление усилителя на транзисторах (кроме тех
случаев, когда в качестве выходных использованы полевые транзисторы со
статической индукцией) можно, если включить параллельно громкоговорителю
резистор или охватить выходной каскад отрицательной обратной связью по
напряжению.
Думаю, что в транзисторном усилителе без ООС не обойтись,
так как для того, чтобы обеспечить даже скромные значения нелинейных
искажений и приемлемое выходное сопротивление, усилитель на транзисторах
должен как минимум иметь глубокие местные ООС.
О.: Почему с
таким упорством вы провозглашаете нежелательность применения в усилителях
ООС, при этом даже готовы мириться с таким анахронизмом ламповых
усилителей, как выходной трансформатор? Что вы можете сказать плохого об
ООС после 60 лет ее успешного применения во многих областях
техники?
А.: О том, как ведет себя ООС в усилителях, договорим
позже. Сначала рассмотрим некоторые эффекты, вызванные прохождением
музыкального сигнала через проводники (Следует говорить даже не о самом
проводнике, а о почти невидимых, однако физически существующих структурных
барьерах в проводнике, а также о барьерах в месте соединения
проводников), включая конденсаторы, лампы и транзисторы. Как я уже
говорил вам в нашем недавнем споре ("AM" .№ 4 (5) 95, с. 5), сигнал в
проводнике расщепляется на несколько составляющих, которые
распространяются по нему с разной скоростью.
Наблюдается так называемое многодуговое распространение сигнала.
Прохождение сигнала через проводник можно представить с помощью
сигнального графа (см. рис. 4а). На нем А - передача сигнала со скоростью
света и с практически неизменной амплитудой; B.С.D - передача сигнала с
разной задержкой и разным коэффициентом, скажем, на два порядка меньшим,
чем по пути А.
Вряд ли при прохождении через такой проводник
синусоидального сигнала можно заметить какие-либо изменения на его выходе.
Изменения можно было бы обнаружить на музыкальном сигнале, однако подобные
измерения еще не научились делать.
О.: Интересно, почему же
провод реагирует на музыкальный сигнал и не реагирует на синус?
А.:
Причина в том, что музыкальные сигналы отличаются от синуса гораздо
большей изменчивостью ( Для специалистов: изменчивость сигнала имеет
строгое математическое толкование и означает текущий интеграл модуля
второй производной по времени сигнала, просматриваемый через скользящее
"временное окно" субъективного восприятия (об этом см.: С. Мэзон. Г.
Циммерман. Электроивые цепи сигналаи системы. М., 1963, с. 246-250
идр.)).
Неожиданные амплитудные всплески, динамические переходы от
одного гармонического состава к другому наиболее важны при восприятии
музыки. Именно они придают звучанию живость и энергичность. При
многопутевом распространении сигнала в проводниках, в частности в цепях
усилителя. участки сигнала с повышенной изменчивостью разрушаются,
происходит их фазовая деструктуризация. В этом смысле можно говорить о
существовании не обозначенных на схеме усилителя фильтров, ограничивающих
или преобразующих изменчивость сигнала. Частным случаем обозначенного
на схеме фильтра изменчивости является обычный фильтр ограничения высоких
частот. И все же, если фильтр невидим и при этом не воздействует на
спектральный состав сигнала, обнаружить его с помощью стандартных методов
измерений не так просто.
Если стандартные методы не готовы "переварить" музыкальные сигналы , то
наш мозг справляется с этой задачей вполне удовлетворительно. Когда вы
сравниваете звучание кабелей, то в первую очередь замечаете разницу в
ясности передачи деталей, интонационного рисунка я динамики. Области
частот, в которых плохо передается изменчивость сигнала, звучат вяло.
невыразительно, тихо, а область, в которой изменчивость хорошо слышна,
начинает доминировать, хотя на АЧХ кажущийся подъем и не
обнаруживается.
О.: Мне кажется, вы саова увлеклись
тестированием кабелей. Лучше расскажите, чем же вредна ООС?
А.:
Да, пожалуй. Но именно высказанные мною соображения помогут нам
разобраться в этом вопросе. Изобразим некий гипотетический усилитель с ООС
в форме сигнального графа (рис. 4б). У этого усилителя прямая ветвь имеет
два пути прохождения сигнала: один имеет мгновенную передачу А,
инвертированную по фазе, а другой с передачей В (где | В | << | А |)
задерживает сигнал на время T. Обратная связь с передачей b возвращает
сигнал мгновенно. Коэффициент передачи через этот гипотетический усилитель
короткого импульса в момент t=0 можно представить соотношением Hпри t=0 = A / (1 - Ab), а в момент t=T для этого
же импульса - соотношением Ht-T = B / (1 -
Ab).
На этом процессы в петле ООС не заканчиваются. Дело в том, что
последний отклик через ООС снова возвращается на вход усилителя и вызывает
дополнительный отклик в момент t=2T: Ht=2T = bB^2
/ (1 - Ab)^2.
Получив дополнительную задержку, сигнал снова попадает на
вход усилителя, и так далее. В результате вместо двух откликов на одна
импульс иа выходе усилителя С ООС будем иметь их бесконечное множество с
затухающей во времени амплитудой: Ht=Tn | n->8
= (b^(n-1))*(B^n) / (1 - Ab)^n.
Оказывается, что при бесконечном числе
обходов петли сигнал достаточно ощутимо размывается во временя. В случае
общей петли ООС речь может идти о времени размывания от 100 мс и более, и
поэтому наиболее заметным последствие" действия ва звук общей ООС является
ухудшение динамики и ослабление энергичности звучания музыки.
Именно
теперь можно понять, почему местные ООС лучше ведут себя на звуке, чем
общие. Более короткий путь сигнала в петле, как следствие меньшие по
величине задержки - в итоге более короткий период размывания сигнала.
Однако ае стоит обольщаться: ведь и в этом случае сигнал разрушается,
причем страдают его наиболее изменчивые участки. Описанные явления
усугубляются, когда выше определенной частоты (так называемого
доминирующего полюса) петлевое усиление начинает падать с наклоном 6
дБ/окт ( Плавное (с наклоном 6 дБ/окт) ослабление петлевого усиления на
высоких частотах необходимо для того, чтобы обеспечить устойчивую работу
усилителя с ООС ). Напомню, что частота доминирующего полюса у
большинства усилителей с глубокой ООС расположена в диапазоне частот от 2
до 5 кГц, а в операционных усилителях на микросхемах от 50 до 300
Гц.
То, что снижение частоты доминирующего полюса и попадание его в
звуковой диапазон плохо сказывается на звуке, впервые заметили Я. Лохстрох
и М.Отала (1973), однако они объяснили это явление образованием
TIM-искажений (TIM (Transient Intermodulation distortion) возникают я
результате "жесткого" ограничения скорости изменения сигнала на участке
прямой ветви ООС до звена, формирующего в ней доминирующий полюс.
Музыкальные сигналы, скорость которых так велика, что может оказаться
ограниченной в стандартном усилителе с ООС, в природе не существуют),
больше чем на десятилетие введя в заблуждение не только аудиофилов, но и
разработчиков усилителей звуковой частоты.
На самом деле это явление
можно объяснить в свете представлений о размывании сигнала петлей ООС. То,
что ООС начинает хуже функционировать, когда петлевое усиление зависит от
частоты сигнала, можно представить наглядно, рассмотрев работу
нагруженного на реальный громкоговоритель усилителя, выходное
сопротивление которого имитируется с помощью ООС.
Если на вход такого усилителя подать вспышку тона с частотой
заполнения, равной частоте основного резонанса громкоговорителя, то,
стремясь воспроизвести ее на выходе, усилитель сформирует в прямом пути
петли ООС сигнал (управляющий токами выходных транзисторов). Изменчивость
управляющего сигнала (внутри петли ООС) должна быть больше, чем у сигнала,
действующего на входе усилителя.
И все было бы не так плохо, если бы
изменчивость сигнала не ограничивалась "невидимыми" фильтрами внутри петли
ООС. Однако именно из-за этого ограничения в момент прекращения вспышки
тона управляемость усилителя нарушается, а сигнал на его выходе будет
зависеть от хранящихся в памяти петли ООС, но уже прошедших ранее
сигналов. Эта зона не совсем предсказуемого поведения усилителя.
Отсутствие ясности и чистоты баса - это то, чтоа
итоге имеет владелец усилителя (неважно, лампового или транзисторного),
выходное сопротивление которого имитируется с помощью ООС.
О.: Я
долго вас слушал и понял наконец, что вы настоящий объективист. Ведь
сначала вы все объясняете и после этого рассказываете, как это должно
звучать.
А.: Да, много лет назад мае пришлось наблюдать
описанные явления на макете усилителя "Бриг". Тогда я не смог разобраться,
почему окончание вспышки тона в области нуля искажается, однако именно в
то время я сделал первый шаг в сторону субъективизма. Я доверился своим
ощущениям, когда услышал, как включение параллельно выходу усилителя (и
одновременно громкоговорителю) резистора 4 Ом, вопреки господствовавшим
тогда представлениям, улучшило звучание баса. Понять, в чем тут дело, мне
удалось только 20 лет спустя.
***
В заключение я хочу остановиться на вопросах, которые,
по-видимому, забыл задать Объективист.
Есть ли все-таки ощущаемое
различие в звучании ламе и транзисторов?
Как объяснить, что простенький
домашний усилитель на лампах "исправляет" студийную звукозапись,
выполненную на транзисторном оборудовании?
Вопросы эти, судя по всему,
будут долго витать в воздухе и исчерпывающего ответа не
получат.
Во-первых, очень трудно поставить чистый эксперимент, в
котором без изменений электрической схемы лампу можно было бы заменять на
транзистор. Кроме того, лампа лампе рознь (то же самое, наверное, можно
сказать о транзисторах). Например, лампы одного типа, полностью
совпадающие по конструкции, но изготовленные разными фирмами, звучат
неодинаково. Вряд ли вакуум в ГДР хуже, чем в других странах, но именно
лампы, изготовленные фирмой "RFT", звучат почти так же, как транзисторы.
Думаю, причина в том, что плохо очищаются от примесей материалы,
используемые для изготовления электродов лампы. Пусть скажут, что я
фантазирую, но лампы с большим до размеру анодом имеют более
привлекательное звучание, чем с маленьким, характер звучания послед. них
более жесткий и визгливый. В этом легко убедиться, заменив в
предусилителе лампу ЕСС83 на другую того же типа, но с большим (или
меньшим) анодом (Двойной триод ЕСС83 производится в трех вариантах
конструкции, с высотой анода 11, 14 и 16 мм).
Маленький анод лампы - маленький кристалл транзистора: быть может, в
этом разгадка феномена? Или Причиной является "отравленный" мышьяком или
индием кристалл кремния? А p-n - переходы а этом кристалле, надо полагать,
тоже что-то значат? Но все это - из области предположений. Достоверных
данных о специфике звучания ламп и транзисторов, так же как и объяснений
ей, пока нет.
Теперь о "ламповой чистке" транзисторных звукозаписей.
Думаю, что здесь имеет место эффект гармонизации тракта "запись -
воспроизведение". Усилитель на лампах с большим анодом довольно часто
выделяет и даже "облагораживает" область частот от 400 до 600 Гц,
возвращая таким образом слушателю "потерянную" деку скрипки, фундамент
певческого голоса и даже насыщенность tutti симфонического оркестра.
Налицо гармонизация тракта по тональному балансу.
Другая особенность
ламповых усилителей - это приятная интегрированность их звучания,
благодаря которой происходит как бы очистка транзисторных записей от
раздражающих слушателя шероховатостей.
Этот эффект действительно можно
иногда наблюдать, но одновременно из записи исчезают тонкие детали и
штрихи. С моей точки зрения, выразительность звучания просто заменяется на
большую комфортность, Но вполне естественно, что слушатель желает иметь
определенный баланс между проработкой тонких деталей и интегрярованностью
звучания, которую музыканты часто называют "связностью" (coherency).
Кстати, при "живом" звучании музыки подобный баланс достигается специально
подобранным соотношением прямого звука и реверберации в зале. Однако зачем
что-то менять в естественно" балансе? Как оказалось, транзисторные записи
действительно приносят в воспроизводимую музыку дополнительную
жесткость и шероховатость, особенно в верхнем регистре. Причиной, как мы
уже показали, является гармонические и интермодуляционные искажения
высших порядков. Немудрено поэтому, что слушатель предпочитает более
интегрированный, чем при "живом" исполнении, характер звучания
записей.
И все же для рассмотренной нами "чистки" транзисторных
звукозаписей совсем не обязательно применять лампы. Из моего личного опыта
следует, что похожий эффект может быть получен умелым подбором межблочных
и выходных кабелей. Достаточно убедительный результат получается, если
использовать провода типа OFC. Однако если в записи отсутствуют динамика.
ясность, пространственность и натуральность, то ни лампы, ни кабели уже не
помогут. Перечисленные мною признаки хорошего звучания в такой записи,
по-видимому, утрачены навсегда.
Выводы
Так существует ли в действительности феномен
транзисторного и лампового звучания? Думаю, что на интуитивном уровне
можно отдать предпочтение лампе, как вакуумному провод-вику, перед имеющим
кристаллическую структуру транзистором. Однако. кроме малоубедительных
результатов прослушивания, данных, что транзистор при правильном его
использовании звучит хуже, чем лампа, нет.
В то же время среди
разработчиков "хай-эндовык" усилителей постепенно сформировалось мнение,
что дело вовсе не в транзисторах, а в ООС. без которой не обходится ни
один усилитель на транзисторах. Стало ясно: ООС разрушает музыкальный
сигнал.
Объяснение это пришло, когда выяснилось, что в петле ООС
циркулируют запаздывающие копии сигнала. Причиной образования этих копий
стали сложные физические явления в проводниках и других используемых в
усилителе элементах. Как это ни парадоксально, вред от ООС в усилителях
оказался большим, чем применение в них такого анахронизма, как выходной
трансформатор.
Если же усилитель на лампах выполнить в схемотехнике,
близкой к транзисторным усилителям (то есть начать применять ООС), то
преимущество ламп перед транзисторами будет сведено на нет.
Косвенным
подтверждением этого можно считать постепенное исчезновение с аудиорынка
сложных ламповых усилителей типа "OTL" (с бестрансформаторным выходом) по
цене от 4 до 10 тысяч долларов и одновременное появление на нем
простеньких усилителей на триодах с трансформаторным выходом по цене
больше 200 тысяч долларов.
Думаю, что. если в транзисторном усилителе
удастся когда-нибудь полностью избавиться от ООС, ламповый барьер будет
преодолен.
(с) А. Лихницкий.
Часть [1]
[2]
Опубликовано по материалам
http://audioportal.ru/diy/lampvstr/
|