О применении разделительных конденсаторов в звуковых трактах
Радиомагазин 2/2000 с.61-64: Комментарий Владимира Шушурина (к его усилителю, см.оригинальную статью) ….. Емкостная связь между усилителем напряжения и выходным каскадом выбрана с учетом совершенно особенных соображений. В основе лежит фундаментальный (с моей точки зрения) принцип, состоящий в том, что идея использования так называемого усилителя постоянного тока (отсутствие переходных конденсаторов от входа до выхода), являясь весьма продуктивной при создании устройств типа операционных усилителей (предназначенных для обслуживания потребностей измерительной техники и различных областей электроники), в общем случае неприемлема при проектировании транзисторных звукоусилительных устройств, и в частности — усилителей мощности. Тем не менее, эта идея лежит в основе практически всех существующих моделей транзисторных усилителей мощности. Немного истории. Впервые эта мысль возникла у меня в начале 80-х годов, когда я весьма интенсивно занимался прослушиванием усилителей, созданных по различным топологиям. В течение многих лет (с 1963 г.) я играл в симфоническом оркестре на ударных инструментах — благодаря этому в моей памяти хранилась информация о реальном звучании как ударных инструментов, так и инструментов басового регистра. У меня была возможность привлечь к прослушиванию достаточно серьезных музыкантов (туба, фагот, контрабас, виолончель, валторна, литавры), и с течением времени мы к нашему всеобщему изумлению заметили, что самые лучшие транзисторные усилители, воспроизводящие сигналы практически от постоянного тока, каким-то дурацким образом придают определенную неестественность звучанию акустических инструментов басового регистра. Причем описать эту неестественность нам долго не удавалось, и, конечно, прибегая даже к самым хитроумным измерениям, я не мог не только подтвердить эту аномалию, но и вообще хоть за что-то зацепиться. К тому времени подоспели мои первые образцы усилителей на лампах 6СЗЗС. Эти усилители были спроектированы правильно. Неестественность исчезла. Потом меня осенила догадка: абсолютно интуитивно я почувствовал, что следует отказаться от усилителей постоянного тока в транзисторной технике. Как только по- явился разумный спад АЧХ в области низких частот (я доработал, кажется, “Маршал 250” и один из моих макетов), все встало на свои места (кстати, введение интеграторов еще больше ухудшало ситуацию). В результате дальнейших прослушиваний (у нас уже появилась точка отсчета, что очень важно в смысле методологии) мы пришли к следующей формулировке (чисто описательной): транзисторный усилитель, построенный по принципу УПТ (то есть без использования переходных конденсаторов), каким-то образом неуловимо изменяет, сдвигает, преобразовывает, что ли (адекватного определения мы тогда гак и не нашли) форманту инструментов, работающих в области басового регистра (речь, естественно, идет только об акустических инструментах, входящих в состав симфонического оркестра), ни в коей мере не нарушая узнаваемости звучания самих инструментов. Я хотел бы еще раз подчеркнуть, что все эти аномалии весьма неприметны и на начальных этапах прослушиваний с трудом осознаются даже профессиональными музыкантами. В дальнейшем я попытался описать эти аномалии следующим образом: в процессе восприятия музыкального материала, воспроизводимого при помощи транзисторных усилителей без переходных конденсаторов, внимание слушателя постепенно невольно соскальзывает в сторону анализа того, что происходит в области низких частот, таким образом, целостность восприятия музыкального произведения нарушается. Впоследствии я стремился найти всему этому какое-либо математически-радиотехнически-паукообразное объяснение, но безуспешно. Решение пришло позднее, после того как я начал заниматься некоторыми прикладными аспектами психоакустики и вопросами влияния акустических волн различных частот на человеческий организм. Но это уже другая история. Далее. Емкостная связь между усилителем напряжения и выходным каскадом также очень удобна в чисто практическом плане: усилитель напряжения и выходной каскад оказываются абсолютно независимыми узлами, что заметно упрощает построение цепей смещения транзисторов выходного каскада, а также позволяет создать очень надежную и быстродействующую схему защиты. О переключателе нагрузки. В выходных трансформаторах ламповых усилителей делаются отводы от вторичной обмотки, что дает определенную гибкость в подстройке параметров под конкретные АС, которые будут выступать в качестве нагрузки для этого усилителя. Относительно транзисторных усилителей (обычных, без выходного трансформатора) бытует мнение, что сопротивление нагрузки для них не так критично, как для ламповых. Разработчик транзисторного усилителя обычно задается некоторым минимальным сопротивлением нагрузки, на которое сможет работать усилитель. На деле это гарантирует лишь то, что усилитель при такой нагрузке не сгорит или не начнет возбуждаться. Качество же звучания при низкоомной нагрузке (2-3 Ом и ниже) остается весьма сомнительным. С инженерной точки зрения, а) проблема заключается в правильном выборе рабочей точки выходных транзисторов, такой, чтобы спектр гармоник сигнала оставался более или менее постоянным в зависимости от частоты, б) в зависимости от выходной мощности, в) в зависимости от сопротивления нагрузки. В принятых ныне подходах к разработке усилителей, как правило, этим аспектам не уделяется достаточного внимания. С нашей точки зрения, подобные проблемы транзисторных усилителей идеально решаются при условии работы в чистом классе А (без ухищрений), причем не только при максимальном сопротивлении нагрузки, но и при меньших его значениях. Обычно усилитель, даже работая в чистом классе А при нагрузке 8 Ом, дает удвоенную мощность на нагрузке 4 Ом, это означает, что в возросшей мощности приходится на режим А, а остальное — на режим AB. В усилителях «LAMMх» диапазон нагрузок был условно разделен на два — от 16 до 8-7 Ом и от 7-6 Ом до 1 и ниже. Для этого и предназначен переключатель нагрузки… При переключении напряжение питания и ток покоя выходного каскада меняются так, чтобы усилитель работал в чистом классе А и при максимальной, и при минимальной нагрузке. “М1.1″ имеет выходную мощность 100 Вт на нагрузке 8 и 4 Ом. Соответствие сопротивления нагрузки положению переключателя не является строго обязательным, например для АС сопротивлением 6 Ом переключатель может находиться как в одном, так и в другом положении. Главное, выяснить, какое из них дает лучшее качество звучания, причем в конкретных условиях вашего помещения. Усилители “LAMM ” имеют большой запас по надежности, так что при положении переключателя нагрузки 8 Ом усилитель будет работать на нагрузку 4, 2 и даже 1 Ом (выходная мощность будет увеличиваться), однако такое подключение мы не рекомендуем, так как гармоническая структура сигнала все же будет изменяться, и это скажется на качестве звука. Тем не менее, такого рода эксперименты интересны. Разница в звучании “М 1.1” при правильно выбранном положении переключателя нагрузки и при неправильном, когда аппарат работает и звучит сходным образом с обычными транзисторными усилителями весьма показательна.
О предъявляемых требованиях к УМЗЧ…
К. Филатов УМЗЧ с полевыми транзисторами IRFZ44 (Радио, 3/2009, с.14-17)
..Привлекательность этих (пр. — полевых) транзисторов в качестве мощных усилительных приборов неоднократно отмечалась разными авторами. На звуковых частотах полевые транзисторы (ПТ) работают как усилители тока, поэтому нагрузка на предварительные каскады незначительна и выходной каскад на ПТ с изолированным затвором можно непосредственно подключать к предварительному каскаду усиления, работающему в линейном режиме класса А.
При использовании мощных ПТ изменяется характер нелинейных искажений (меньше высших гармоник, чем при использовании биполярных транзисторов), снижаются динамические искажения , существенно ниже уровень интермодуляционных искажений. Однако вследствие меньшей, чем у биполярных транзисторов, крутизны нелинейные искажения истокового повторителя оказываются большими, поскольку крутизна зависит от уровня входного сигнала.
Выходной каскад на мощных ПТ, де они выдерживают короткое замыкание в цепи нагрузки, обладает свойством термостабилизации. Некоторый недостаток этого каскаде — меньший коэффициент использования напряжения питания, и поэтому необходимо применять более эффективный теплоотвод.
К главным же достоинствам мощных ПТ можно отнести невысокий порядок нелинейности их проходной характеристики, что сближает особенности звучания у усилителей на ПТ и ламповых, а также высокий коэффициент усиления по мощности для сигналов звукового диапазона частот.
..В соответствии с требованиями IEC581-7 для АС категории hi-fi полный коэффициент гармонических искажений не должен превышать 2% в диапазоне частот 250Гц…1000 Гц и 1% в диапазоне свыше 2 кГц при уровне звукового давления 90 дБ на расстоянии 1м. При характеристической чувствительности бытовых АС, равной 86 дБ/Вт/м, это соответствует выходной мощности УМЗЧ всего 2,5 Вт. С учетом пикфактора музыкальных программ, принимаемым равным трем (как для гауссового шума), выходная мощность УМЗЧ должна составлять около 20 Вт. В стереофонической системе звуковое давление для НЧ примерно удваивается , что позволяет отодвинуть слушателя от АС уже на 2 м. При удалении на 3 м вполне достаточна мощность стереоусилителя 2х45 Вт.
Неоднократно отмечалось, что искажения в УМЗЧ на ПТ обусловлены, в основном, второй и третьей гармониками (как и в исправных АС). Если полагать независимыми причины возникновения нелинейных искажений в АС и УМЗЧ, то результирующий коэффициент гармоник по звуковому давлению определяется как корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов гармоник УМЗЧ и АС. В этом случае, если полный коэффициент гармоник искажений в УМЗЧ в три раза ниже, чем искажения в АС (т.е. не превышает значения 0,3%), то им можно пренебречь.
Диапазон эффективно воспроизводимых частот УМЗЧ должен быть не уже слышимого человеком — 20…20 000Гц. Что касается скорости нарастания выходного напряжения УМЗЧ, то в соответствии с результатами описанными в Филатов К. О скорости нарастания выходного напряжения высококачественных усилителей звуковых сигналов. — Телекоммуникации, 2004, №6, с.46-48, достаточна скорость 7 В/мкс для мощности 50 Вт при работе на нагрузку 4 Ом и 10 В/мкс — при работе на нагрузку 8 Ом.
..Коэффициент (прим. гармонических искажений) вычисляется путем вычисления по формуле
где Un — среднеквадратические значения напряжения гармоник.
Полученный результат подтверждает тот факт, что у полевых транзисторов, как и у ламп, наиболее выражены вторая и третья гармоники, остальные на 10..20 дБ ниже.
..Исследование коэффициента интермодуляционных искажений модели УМЗЧ проведено по методике ГОСТ 23849-79. Для этого использованы модели двух генераторов: первый на частоте f1 = 250 Гц и среднеквадратическим значением напряжения 0,8Uном, а второй — с частотой f2 = 8 кГц и напряжением 0,2Uном. На вход УМЗЧ поданы оба напряжения этих напряжения, и анализатором спектра измерены выходные напряжения при следующих комбинациях частот:
По результатам измерений вычислен коэффициент интермодуляционных искажений Ким в процентах по формуле:
См. также:
- Филатов К. О скорости нарастания выходного напряжения высококачественных усилителей звуковых сигналов. — Телекоммуникации, 2004, №6, с.46-48
- Филатов К., Мардер М. Усовершенствование усилительного блока. — Радио, 1986, №3, с.36-39
- ГОСТ 23849-79. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы электрических низкочастотных измерений.