Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1)

3 августа 2011, среда 17:15
для раздела Лаборатория

Оглавление

Введение

Знаете, очень хочется слушать музыку в хорошем качестве. «Балалайки» с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хотя медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. Думаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое время интересовались колонками и усилителями, не минула чаша сия и меня. К сожалению, я не являюсь профессионалом в этой области, поэтому суждения в статье могут быть не слишком удачными и значительная их часть является лично моими наблюдениями, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.

Лампы, бескислородная медь и прочее

Любители акустики делятся на две (скорее три) категории – техники и «слухачи». Первые понимают только цифры, вторые цифирные упражнения не приемлют и воспаряют на облаках субъективного мнения… Я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. У проблем воспроизведения звука есть вполне конкретные технические объяснения, и только неспособность их понять порождает слухи и суеверия. Впрочем, дабы не нервировать ярых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью – она вам только испортит нервы. Грешен, не стоит вмешиваться в божественное провидение.

Для остальных продолжим. Ах да, я пропустил третью категорию. Увы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда «лампового звучания» не прекращается, что и приводит к постоянному пополнению специалистов третьей категории. Господа, почаще стряхивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором «забивают бабки», в терминологии подобных бизнесменов. Принимайте свои решения самостоятельно. И никому не верьте, особенно мне.

Факторы, влияющие на качество звучания

Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.

Хотите естественного звучания? Есть только один способ - сходите на акустический концерт. Хороший зал, прекрасные исполнители – только это и может сформировать слух. Послышав правильное звучание можно понять, насколько нас дурят с этим «балалайками». Впрочем… а нет, извините, повторюсь – сходите на нормальный концерт. Без этого нельзя научиться понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.





Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения

Условно, «неприятности» можно разделить на следующие группы:
1. Искажение сигнала в усилителе.
2. Соединение с нагрузкой.
3. Влияние нагрузки.
4. Импеданс усилителя и работа динамика.

В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.

Искажение сигнала в усилителе

Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.

Виды искажений:
1. Нелинейные искажения.
2. Ограничение уровня.
3. Интермодуляционные.
4. Коммутационные.
5. Динамические.
6. Самовозбуждение.

Нелинейные искажения

Звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается. Ничего идеального не бывает, в полезный сигнал обязательно будут внесено то, что в нем не содержалось – шумы, искажения, помехи от блока питания и другие вредные субстанции, мешающие качественному восприятию звука. Однако - пока о частном.

Нелинейные искажения - увеличение спектра исходного сигнала путем добавления гармоник. Если взять чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождения усилителя в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составляющие K*F, где К = 2, 3, 4, 5…

Асимметрия





По виду, гармоники делятся на чётные и нечетные. Первые возникают при асимметрии сигнала. Ходят упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные … вот только руководящие материалы прошлого столетия дают весьма однозначные указания – вначале бороться с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. Асимметрия присуща всем элементам схемотехники усилителя, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.

В статье будет использоваться симуляция с помощью программы PSPICE, которая доказала достоверность выполняемых расчетов. Бывали случаи, когда расчеты в этой программе давали «странные» результаты и возникало желание свалить на ее внутренние ошибки, но после обнаружения тех же «странных» результатов в спаянной схеме невольно проникаешься доверием и уважением к разработчикам этого симулятора. Так что, простите, но я верю этой программе. Если у вас иное мнение, извините.

Если не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1 КГц, амплитудой 1 вольт (пиковое).

Итак, нелинейные искажения. При появлении асимметрии сигнала появляются четные гармоники.

Схема симуляции:

266x235  5 KB

Асимметрия в схеме достигается установкой диода Шоттки. Контрольная тока «A» получена делителем R3, R4 c приведением уровня сигнала к амплитуде, близкой к исследуемому выходу «B».

На всех графиках этого раздела, зеленый – симулированный сигнал; красный – образцовый, с слегка пониженной амплитудой.

Форма сигнала:

377x337  6 KB





Если в нижней части красная и зеленая линии почти совпадают, то в верхней начинает сказываться влияние диода и искаженный сигнал сильно обгоняет образцовый. То есть, положительная (выше уровня 0 V) и отрицательная полуволны не одинаковы, налицо явные признаки асимметрии.

Спектр:

420x337  5 KB

У спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 кГц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четкая гребенка с максимумами на частотах 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 4 кГц…

Остановимся чуть подробнее. Первый пик на 1 кГц примерно такой же, что и для образцового сигнала – основная гармоника в обоих случаях с примерно равной амплитудой. Ну, это видно и визуально, они внешне похожи… если опустить тонкости, которые приводят к большому спектру гармоник. В образцовом сигнале есть только первая гармоника, а в симулированной цепи - с первой по десятую (вообще-то, спектр распространяется дальше 10 кГц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. А ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.

Возможно, вас смутил способ представления информации в программе. Обычно, когда представляют спектр, то рисуют «столбики» переменной высоты. Программа PSPICE рассчитывает напряжения и токи во всех узлах схемы для всего времени выполнения теста, зачастую с переменной дискретностью по времени. После этого производится преобразование временной последовательности в частотную методом FFT (Быстрое преобразование Фурье). Чем меньше дискретность вычисления точек по времени, тем выше точность перевода во временную область и корректнее анализ. Плата за это – время работы симулятора.

Со момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симуляцию стоит проводить в два этапа – вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить для получения более адекватных результатов. Для примера, повторим тест для обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):

422x337  4 KB

Оба графика несут один и тот же смысл, но более долгий по времени обсчета (зеленый) график очевидно точнее.

Теперь схема для симметричной и нелинейной цепи:





257x234  6 KB

Для симулирования нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Шоттки – по одному для положительной и отрицательной полуволн.

Форма сигнала:

377x337  4 KB

Форма напряжения в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.

Спектр:

420x337  5 KB

Посмотрите на предыдущий тест – если там были пики на частотах 1, 2, 3… 10 кГц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.

Ограничение уровня

Такой вид нелинейности вызывается нарушением монотонности сигнала. К ним относятся два случая:

  • Ступенька.
  • Насыщение.

Искажение типа «ступенька» свойственно усилителям класса В (или АВ) – при уменьшении уровня сигнала падает коэффициент передачи и сигнал просто исчезает. Подробнее механизм его возникновения будет рассмотрен во второй половине статьи.

Насыщение – может быть вызвано или ограничением, при очень большом уровне сигнала, либо срабатыванием защиты в усилителе по току или мощности.

Ступенька

Схема:

260x221  6 KB

Подобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещения на базе регулирующего транзистора, поэтому для симуляции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.

Форма сигнала:

423x337  6 KB

Обратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое время прохождение сигнала отсутствует. Если на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровня, то на симулированной цепи напряжение становится равным нулю. Чем меньше уровень сигнала, тем больше проявляется этот тип искажений, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала на выходе. Поэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. А иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений – при снижении уровня сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.

Спектр:

420x337  5 KB

Искажения симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.

Насыщение

Схема:

261x187  5 KB

Ограничение уровня типа «насыщение». Довольно типичный случай, захотели погромче и получили «хрипы». Если схемы контроля обеспечивают «мягкое» ограничение уровня, то вид искажений будет отличаться от усилителей без подобной защиты. Но пока пройдемся по самой проблеме, без влезания в нюансы. Для симуляции подойдет всё та же пара диодов 1N4148, но в ином включении.

Форма сигнала:

422x336  6 KB

Если при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напряжения 0.5 вольт характеризуется остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.

Спектр:

422x336  5 KB

Картина похожа на случай с «ступенькой». При обоих вариантах появляются гармоники, меняется только характер их появления:

  • Для «ступеньки» степень искажения сигнала возрастает при уменьшении уровня сигнала.
  • У «насыщения» обратная закономерность – при низком или нормальном уровне сигнала схема не вносит искажений и только при большом начинают сказываться негативные явления.

Дефект насыщения присущ всем усилителям и с ним борются или режимом «мягкого ограничения» или дополнительным узлом регулировки усиления, который уменьшает громкость при обнаружении проблем с чрезмерным уровнем сигнала.

Страницы материала
Страница 1 из 3
Оценитe материал

Комментарии 125 Правила

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают