ЧАСТЬ 4
Исходя из соображений идеального воспроизведения, любое изменение тембра инструмента
нежелательно. Из чистой теории мы также знаем, что добавление любой
гармоники все равно проявится в конечном сигнале. Из этого следует что, если целью
является достижение нейтральности воспроизведения, должны быть найдены
средства, делающие неслышимыми весь спектр внесенных гармонических продуктов.
Эта инженерная задача может быть решена посредством применения каскадов
с низкими искажениями; источники тока, активная нагрузка, дифференциальные
усилители, буферы и каскодное включение (67, 68). Но, даже в этих случаях, искажения
присутствуют. Отрицательная обратная связь (ООС, для краткости в дальнейшем ОС,
если не будет оговорена иная) является традиционным инструментом для уменьшения всякого рода
нелинейностей в усилителях. К сожалению, довольно часто подобная технология применяется
неправильно.
Дик Олшер (Dick Olsher) рассуждает по данному вопросу: "Минималистская схемотехника
(в 20-е годы)обычно не использовала общей петли ОС... И это одна из главных причин,
почему однотактники столь без усилий выкарабкивались из состояния перегрузки.
Резкие всплески сигнала могут толкнуть усилитель в область больших искажений или
режим кратковременного (в несколько миллисекунд) возбуждения" (45, стр.105).
Эта декларация справедлива лишь в том случае, если ОС не верно рассчитана и применена.
Существует три фактора, определяющих время восстановления усилителя с обратной связью
все они равнозначны): 1) запас по фазе; 2) достаточность усиления; 3) динамическая
характеристика первого каскада, реагирующего на корректирующий сигнал обратной связи.
Если все три фактора имеют величину, достаточную в каждом конкретном случае, то время выхода
из клиппинга* для усилителя с ОС будет тем же, что для усилителя без нее.
Первые два фактора хорошо изучены и не станут обсуждаться здесь. Следует лишь сказать,
что главнейшей целью компенсации является доведение коэффициента
усиления до единицы к моменту, когда фазовый сдвиг достигает 180° (69). Таким образом
достигается стабильность и устойчивость. Фактор третий часто не верно
понимаем или вовсе не берется в рассмотрение: противостояние входного каскада сигналу коррекции,
поданного с выхода устройства. Этот сигнал весьма большой амплитуды на высоких частотах,
вследствие того, что компенсирующая цепь, удовлетворяющая условиям 1 и 2, вносит временную
задержку. При больших амплитудах сигнала на ВЧ на выходе появляется значительный выброс
корректирующего сигнала (Рис. 25). Он появляется из-за того, что ОС действует слишком поздно,
когда требуется полностью подавить входной сигнал с частотой выше, чем та, на которую
рассчитана компенсация.
Рис. 26 наглядно представляет, как корректирующий сигнал (а) складывается с компенсирующим
сигналом (b), чтобы восстановить оригинальную (исходную) форму сигнала (с). После этого стал очевиден
вторичный эффект компенсации: уменьшение полосы полезного сигнала и, при этом, ускорение
сигнала обратной связи! Результатом будет то, что сигнал ОС "догонит" основноЙ
(полезный) сигнал, чтобы вовремя сложившись с ним,воссоздать такой, который на выходе
будет подобен входному. Если этого не происходит, результирующая форма сигнала (с) не будет
прямоугольной, а будет иметь срез фронта или выброс, как на (b) или (а).
Можно рассмотреть это взаимодействие иным способом: представить компенсирующую цепочку
как интегратор с реакцией в виде (b), а серво цепь с реакцией, приведенной ко входу,
как дифференциатор (а). Когда продифференцированный сигнал окажется проинтегрирован
через цепочку компенсации, форма исходного сигнала будет восстановлена. Этот базовый
принцип используется в системе записи RIAA** для пред- и после- коррекции. И если фактор 3
не выдерживает требований по перегрузке, воспроизводимый сигнал не будет подобен
исходному. То есть, если первый каскад не способен воспринимать всю амплитуду корректирующего
сигнала,пришедшего с выхода, он влетит в насыщение (70).
Форма сигнала (а) показывает, что динамика первого каскада увеличивается с ростом частоты.
В сервосистемах (устройствах с отслеживанием сигнала по выходу)
первый каскад всегда терпит жесткое модулирующее воздействие сигнала обратной связи.
Он из всех каскадов единственный, кому предоставлена эта нелегкая задача, так как следующий
каскад стоит после компенсирующей цепи, режущей выброс после первого каскада.
Таким образом, входной каскад должен иметь достаточный запас по амплитуде усиливаемого сигнала,
чтобы противостоять атаке корректирующего в самом худшем случае. Интересно отметить в этой связи,
что сам Уильямсон (D.T.N. Williamson) выбрал для первого каскада
лампу 12AU7, известную своим широким раскрывом анодной характеристики.
Когда же и выходной каскад клиппирует одновременно с первым, наступает полная неразбериха.
Однако, не следует считать ОС ответственной за все это Проблема ОС была притянута к ответу
благодаря, главным образом, работам М. Оталы (М. Otala) по эффекту TIM*** (71, 72).
Более поздние исследования (70,73) показали, что ОС не создает TIM, в том случае, когда
входной каскад способен принять двойную амплитуду против обычного входного сигнала (70).
Под "обычным" понимается сигнал, достаточный, чтобы вогнать в перегрузку выходной каскад.
KЛИППИРОВАНИE, ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Однотактный усилитель с регулируемой по величине ОС (такой как CAD-805 ф. Сагу)
представляет собой интересный случай для изучения. Из Рис. 8 мы видим, что
происходит компрессия отрицательной половинки сигнала с дальнейшим закруглением верхушки
нижней полуволны. По виду передаточной характеристики сразу заметно ее влияние на отмеченное
скругление. Введение ОС выпрямляет саму характеристику передачи, но при
этом она укорачивается снизу (как на Рис. 27а). И в результате, входной сигнал,
достаточный для раскачки выходного сигнала по положительной полуволне, испытывает отсечку по отрицательной (Рис. 27b). Сжатие нижней полуволны, таким образом,
уменьшает величину выходной мощности (хотя и менее искаженной до этого
момента) при включении обратной связи! (74, 75).
Легкая степень клиппирования в однотактных усилителях была отмечена TJN
(T.J. Norton - измерительный человек в журнале Stereophile):"... клиппинг очень незначителен
в CAD-805, проявляясь в легком закруглении нижней половины сигнала..." (45 стр. 111). На Рис. 28
представлены гармонические составляющие формы сигнала, показанного на Рис. 8. Продукты искажений для
этого случая определены графическим анализом передаточной характеристики (76).
Заметьте, как гармоники приводят к "сдавливанию" по бокам и удлинению верхней полуволны,
а также и то, как они при сложении дают закругление нижней полуволны.
Из рисунка видно, как при пересечении нуля основным сигналом нечетная гармоника D сдвинута
на 90° относительно нечетных С и Е. В данном случае составляющие
полностью подчиняются обычному правилу гармонического разложения.
Пример с натянутой струной на Рис. 5 дает наглядное представление. Здесь все четные
гармоники имеют узел в середине струны, а нечетные - пучность, хотя при этом
могут быть сдвинуты на 180° (пучность оказывается либо вверху, либо внизу от срединного
положения). Эта аналогия с передаточной характеристикой становится весьма полезной и уместной,
как только мы начнем более детально рассматривать поведение двухтактного усилителя.
Не взирая на то, включена ли обратная связь, нет ли, при ограничении анодного тока
на положительной полуволне, однотактный каскад начинает сильно искажать.
Спектр выходного сигнала обогащается третьей, пятой, седьмой .... и т.д. гармониками.
Рост нечетных гармоник обусловлен симметрией ограничения (теперь отсечка
происходит не только в нижней половине , но и в верхней части передаточной характеристики).
Если верхняя отсечка происходит из-за токового ограничения (предел эмиссии лампы,
ограничение тока транзистора и др. эффекты), то нижняя происходит благодаря все большему
скруглению характеристики. Это влечет к росту второй, четвертой, шестой и т.д. Но так как
рост четных гармоник начался раньше, чем нечетных (ограничение по току происходит в последнюю
очередь), то налицо доминирование консонантных над диссонансными. Это и есть объяснение
того факта, что на пороге клиппирования однотактники звучат менее раздражающе,
чем двухтактные схемы.
В отношении обратной связи Д. Олшер дает вновь довольно противоречивые заключения:
" Увеличение глубины ОС улучшило детальность быстрых звуков, которые мне казались потерянными,
как будто вуаль была наброшена на сцену. Ощущение скорости и выпуклости инструментов улучшилось,
хотя и ценой потери сочности". (45. стр, 107). Очевидно, что уменьшение искажений
при подаче ОС должно было привести к некоторой потере сочности, когда подавлены искажения
консонантного характера (т.е. вносящие лепту в созвучность, благозвучие). Теперь мы готовы
к ответу на вопрос о том. какие же еще механизмы могут участвовать в этом процессе..
Потеря звучности, сочности может быть объяснена с помощью измерений Т. Нортона.
Картинки частотной характеристики для различных случаев включения ОС даны
на Рис.29. В отсутствие ОС на графике виден слабый подъем с частоты 5 кГц, и с увеличением
глубины ОС, этот пик растет, достигая 3 дБ при 10 дБ обратной связи. Это впрямую указывает
на отсутствие компенсации. Подъем частотной характеристики отражен и во временной области,
как острый выброс на переднем фронте меандра в 1 кГц (Рис.30).
Отметьте также, что гармонические искажения достаточно резко растут с подъемом
частоток (в конце концов они даже "обгоняют" по уровню характеристику,
когда ОС отсутствует, хотя в середине диапазона та же ОС способствует подавлению искажений.
Ред.) Увеличение глубины ОС до 10 дБ оказалось бессильно противостоять искажениям из-за
фазового сдвига. В самом деле, ведь высокочастотные искажения растут с увеличением глубины
обратной связи! Для усилителей с трансформаторным выходом в этом нет ничего
удивительного. Фазовый сдвиг, являющийся эквивалентом временной задержки, обязан распределенной
емкости трансформатора, а ОС затем становится регенеративной связью и действие ее усугубляется
с увеличением глубины. Компенсация способна свести фазовый сдвиг к нулю и сделать частотную
характеристику ровной при каждом данном значении обратной связи. Следовало
бы установить переключатель компенсации одновременно с переключателем глубины ОС.
В усилителе CAD-805 ухудшение звучности при введении ОС любой глубины может быть обусловлено
следующими причинами:
1) подъем АЧХ на высоких частотах;
2) повышенной чувствительностью к емкостной нагрузке при усилении ОС, что выражается выбросом на прямоугольном сигнале;
3) ростом гармонических искажений выше 20 кГц;
4)резким загибом передаточной характеристики и вслед за этим компрессией выходной мощности;
5) наличием TIM или других искажений переходного характера.
Мы способны вычислить эти вероятные причины. Очевидно, что TIM не вызывают ухудшение сочности
звучания CAD-805 при углублении ОС. Это следует из того факта, что в схеме нет цепи
компенсации, вносящей временную задержку. В нашем случае она могла быть
создана внутренней емкостью выходного трансформатора (который выступает, как ВЧ фильтр) и такая задержка привела бы к
незначительной модуляции первого каскада, (что собственно и характеризует
присутствие TIM). Следовательно, TIM, как причина не принимается.
Если потеря музыкальности происходит на самых громких пассажах, это означает,
что более глубокая ОС может быть подана уже на первых ваттах, когда еще не
происходит загиба характеристики передачи. Как рекомендуемая альтернатива: если усилитель
работает на громкоговоритель с высокой чувствительностью (в режиме малого потребления
мощности), то глубина ОС может быть допущена больше. Это обеспечивает запас по мощ-
ности в обратной пропорции (чем выше чутье акустики, тем меньше ватт нужно потратить,
тем больший запас создан и наоборот).25
С другой стороны, если ухудшение случается даже на малых уровнях, тогда это может быть
вызвано факторами 1, 2 или 3, так как влияние их не зависит от уровня сигнала.
При том, что гармонические искажения дальше полосы 20 кГц считаются неслышимыми, может
возникнуть продукт разностной частоты, который упадет в слышимую область. Положим,
к примеру, 40 кГц - 30кГц =10 кГц. Однако, подобные эффекты имеют исчезающе малый уровень,
так что непохоже, чтобы проявлялся фактор 3. Тогда остаются факторы 1 или 2.
Напомним, что это:
1) подъем АЧХ на высоких частотах и
2) чувствительность к емкостной нагрузке в отсутствие компенсации.
Любая емкость на выходе усилителя, будь она образована емкостью кабеля, либо фильтром
громкоговорителя, должна дать дополнительный высокочастотный
полюс, сопровождаемый в пределе фазовым сдвигом в 90°, который в свою очередь
окажется в сигнале обратной связи. "Звон" в ультразвуковой области является
очень частой практикой, если только ОС не является локальной. Так что генерирование
на высоких частотах обычно подавляется включением компенсирующих цепей. На плоскости
комплексных переменных (S) Рис.32 показано расположение резонансного полюса S0 и двух
антирезонансов и их влияние на переходную характеристику. На Рис. 33 представлены
случаи для переходных характеристик, когда все полюса и нули находятся в
левой полуплоскости комплексных переменных.26 Это может считаться случаями
правильной настройки системы, когда звон критически демпфирован и резонансных выбросов
быть не должно (77, 73). Только в этих случаях звон может считаться неслышимым (78, 79).
Из всего вышеприведенного следует, что при введении компенсирования (с целью исключения
ВЧ подъема и демпфирования переколебаний на скоростных сигналах) возможно применение
более глубокой ОС без ухудшения звучания. Эти меры, однако, не ограждают обратную связь от
влияния ее на музыкальные характеристики усилителя в том случае,
если благозвучность его создана сложным спектром искажений, присущих
только данному устройству.27
BECTHИK A.P.A. №3
Часть [1] [2] [3]
[4] [5] [6] [7]
|