СОГЛАСОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ И АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

А. АЛЕЙНОВ, г. Харьков, А. СЫРИЦО, г. Москва

        При прослушивании эксперты чаще отдают предпочтение ламповым УМЗЧ, несмотря на то что транзисторные формально имеют более высокие параметры. В чем же дело? Гипотеза авторов статьи о возникновении в УМЗЧ дополнительных интермодуляционных искажений из-за отклика громкоговорителя была экспериментально подтверждена ими в процессе поиска методики объективной оценки качества усилителей. В статье дан критический анализ технических решений современных УМЗЧ и предложены меры, исключающие влияние громкоговорителя на усилитель. Авторы утверждают, что транзисторные УМЗЧ, устойчивые к воздействию отклика громкоговорителя, обеспечивают звуковоспроизведение без специфической окраски.

      В классической двухканальной стереофонии качество усилителей мощности и громкоговорителей оказывает существенное влияние на реализацию потенциальных возможностей в передаче натурального звучания и пространственности звуковой картины. Внимательные слушатели, посещающие концертные залы, сразу замечают отличив звучания реальных музыкальных инструментов от их звучания в воспроизводимой через громкоговорители звукозаписи.
    Трудности в прогнозировании качества звуковоспроизведения связаны с несовершенством используемых методов объективных измерений характе ристик звукового тракта Поэтому основным критерием при выборе аудиоаппаратуры следует считать субъектив ную оценку качества (СОК).
    Наибольшее влияние на результаты СОК оказывают свойства конечных звеньев тракта звуковоспроизведения УМЗЧ и громкоговоритель Рассмотрим их особенности и возможности решения существующих проблем.
    Прежде всего оценим взаимосвязь результатов СОК и объективных характеристик УМЗЧ, сосредоточив особое внимание только на параметрах оказы вающих по мнению авторов, наибольшее влияние на качество звуковоспроизведения. Здесь большой интерес представляет анализ результатов СОК ламповых и транзисторных УМЗЧ (как компонентов, между которыми сущест вует наиболее резкая разница в оценках) Как правило в этих сравнениях объективные параметры ламповых УМЗЧ значительно уступают транзисторным, однако результаты СОК часто оказываются прямо противоположны ми. При рассмотрении ограничимся только несколькими основными критериями СОК. воспользовавшись форму лировками, которыми наиболее часто пользуются эксперты.
    Первая характеристика звучания тембральная окраска легкость, мягкость теплота или соответственно тяжесть жесткость, холодность (металлический оттенок) Вторая воспроизведение атаки (нарастания звука) активная, четкая или вялая, рыхлая Третья характеристика локализация источника сигнала хорошая или плохая панорама. Четвертая — микродинамика: хорошая детализация сигналов сложной формы с малым уровнем или плохо различимая детализация аналогичных сигналов. Общий результат СОК- сильное эмоциональное воздействие или соответственно слабое.
    Экспертные оценки сравниваемых УМЗЧ настолько различны, что существуют жаргонные выражения — "ламповый" и "транзисторный" звук Объяснения причин этого парадокса неоднократно приводились в литературе однако все они дают только частичные ответы. Попытаемся в очередной раз установить взаимосвязь рассматриваемых здесь критериев СОК и объективных параметров сравниваемых УМЗЧ.
    Особенности тембрапьнои окраски в звучании для лампового УМЗЧ могут быть объяснены следующими основными причинами узкий спектр нелинейных искажении (НИ) обычно ограниченный второй и третьей гармониками;
    малая зависимость величины НИ от частоты сигнала,
    — резкое уменьшение ширины спектра и величины НИ при уменьшении уровня сигнала,
    — плавное увеличение НИ при пвре-грузке выходного каскада
    Особенности тембральной окраски звучания для транзисторных УМЗЧ имеют следующие причины
    расширенный спектр НИ (до 10-й гармоники и выше)
    — резкий рост НИ с увеличением ча стоты сигнала.
    — незначительное уменьшение ширины спектра и величины НИ при уменьшении уровня сигнала.
    резкое увеличение НИ при перегрузке выходного каскада.
    Воспроизведение неискаженной атаки звуковых сигналов — важнейшее условие для точного распознавания образа источника. Очевидно, что появление искажении атаки (затягивание или акцент) в звуковоспроизведении реальных сигналов существенно влиявт на его восприятие Одной из причин такого рода искажений являются условия согласования системы УМЗЧ электродинамический громкоговоритель (ЭДГ) Как известно при воздействии импульсного сигнала на звуковую катушку (ЗК) в ЭДГ возникает сила, стремящаяся изменить ее положение в магнитном поле, т е совершить перемещение Однако возникающая при э ом проти-во-ЭДС индукции замыкаясь на вы ходное сопротивление УМЗЧ создает ток, препятствующий изменению положения ЗК и направленный навстречу току вызывающему это изменение т. е выходному току УМЗЧ Протекание "противотока", с одной сторонь, снижает добротность механического резонанса и усиливает демпфирование [1] эффективность которого зависит от выходного сопротивления УМЗЧ. а с другой — это приводит к затягиванию воспроизводимой атаки музыкального сигнала Таким образом, этот процесс находится в прямой зависимости от величины "противотока", который при постоянной величине ро иво-ЭДС тем больше чем меньше выходное сопротивление УМЗЧ Любое изменение величины выходного сопротивления (например, из-за частотной зависимости глубины ООС) приводит к изменению "противотока и искажению атаки Аналогичные искажения возникают из-за изменения индуктив ности ЗК [1] в различных положениях ее внутри магнитной системы и возбуждении ЭДГ от источника напряжения. Сравнение величин выходного сопротивления лампового (0,5.. 1 5 Ом) и транзисторного (обычно 0,1 Ом и менее) усилителей позволяет сделать вывод о предпочтении большего значения сопротивления.
    Не следует исключать и влияния на точность воспроизведения атаки и малоизученных искажении от теплофизи-ческих процессов в активных и пассив ных элементах УМЗЧ. ЭДГ и "акустических" кабелях
    Следующими важными характерис-иками СОК по праву считаются локализация источников сигнала и микродинамика. Эти характеристики, по мнению авторов, определяются е основ ном величиной и спектром интермодуляционных искажении (ИИ) в системе УМЗЧ—ЭДГ
    Таким образом на первом этапе можно сделать следующие выводы
    1 Результаты СОК системы УМЗЧ ЭДГ определяются совокупностью ее технических характеристик и формаль но не зависят от типа примененных в усилителе активных элементов
    2. Наибольшее влияние на темб-ральную окраску оказывают величина и ширина спектра НИ а также их зави симость от частоты и уровня звукового сигнала
    3. Точность воспроизведения атаки звукового си нала зависит в частности, от тока вызываемого про иво-ЭДС индукции ЭДГ и искажении о тепло физических процессов в активньх и пассивных элементах сильноточных цепей
    4. Локализация источников сигнала и микродинамика определяются в основном величиной и спек ром ИИ
    Теперь проанализируем возможное ти улучшения параме ров УМЗЧ оказы вающих наибольшее влияние на СОК
    Начнем с методов уменьшения величины и спектра НИ. Исследования этих видов искажений установили две основные причины их возникновения — нелинейность характеристик активных элементов и режим работы выходного каскада. Некоторые преимущества в линейности характеристик электронных ламп, по сравнению с транзисторами, широко известны и достаточно полно освещены в литературе. Совершенствование транзисторных УМЗЧ по этому параметру наиболее эффективно при использовании режимов работы транзисторов выходного каскада без отсечки коллекторного тока, например: Super A, New class A, Non switching [2, 3] и др. При этих режимах работы происходит нв только значительное сокращение спектра НИ (до четвертой-пятой гармоники) и их значения, но и резкое их уменьшение при снижении уровня сигнала. Частотная независимость НИ обычно достигается выбором соответствующей схемотехники и элементов. Высокой эффективностью в уменьшении НИ обладает компенсационный метод, известный под названием "feed forward error correction" — коррекция искажений с использованием прямой связи [4, 5]. К достаточно перспективным методам уменьшения НИ можно отнести и компенсационный с обратной связью по вычитанию искажений ОСВИ [6]
    Конструируя транзисторные УМЗЧ, нужно учитывать особенности работы транзисторов выходного каскада УМЗЧ при работе на реальную нагрузку. Причины появления различных искажении и методы по их уменьшению подробно изложены в [7—9], но предлагаемые там методы контроля искажений чрезвычайно сложны и требуют дорогостоящей измерительной аппаратуры. Вероятность появления искажений можно значительно уменьшить, используя ре комендации, например, в [10]. Наилучшие результаты по снижению НИ в транзисторных УМЗЧ достигаются использованием режима работы выходного каскада в классе А с минимальной глубиной общей ООС. При этом НИ мо гут быть намного ниже, чем в ламповых усилителях, за счет отсутствия в них выходного трансформатора источника искажений на низких частотах.
    Более плавное нарастание НИ при перегрузке выходного каскада в транзисторных УМЗЧ достигается за счет уменьшения глубины общей ООС — эффект тем выше чем меньше ее глубина.
    Рассмотрим далее возможные методы повышения точности воспроизве-"дения атаки звукового сигнала с учетом причин, оказывающих на нее большое влияние.
    Как и переходные интермодуляци-онныв искажения, искажения атаки снижаются достаточно эффективно при уменьшении глубины общей ООС. Сокращению времени установления сигнала в УМЗЧ способствует и расширение АЧХ УМЗЧ без общей ООС до 300...500 кГц.
    Однако особенно эффективное уменьшение искажений атаки от тока в цепи нагрузки, вызываемого проти-во ЭДС индукции достигается в УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением (Явы*» RH)- Результаты улучшения характеристик звукового тракта подробно описаны в [11 —13]. На рис. 1 и 2 приведены спектрограммы гармониче ских искажений [12] при возбуждении ЭДГ от УМЗЧ с низким выходным сопротивлением и от УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением. Суммар ные гармонические искажения для сигнала частотой 3 кГц составляют около 3 % и 0,2 % соответственно.

    Рисунок 1. Спектр гармонических искажений УМЗЧ с громкоговорителем, возбуждаемым источником напряжения (Rвых=ноль)
   
    Рисунок 2. Спектр гармонических искажений УМЗЧ с громкоговорителем, возбуждаемым источником тока (Rвых=бесконечности)

    Анализ моделирования искажений, вызываемых теплофизическими процессами, происходящими в активных и пассивных элементах звукового тракта, позволил практически реализовать пассивное устройство, повышающее точность воспроизведения атаки [14]
    Перечисленные выше методы по улучшению качества воспроизведения атаки показывают их влияние на конечный результат и объясняют причины неудачных попыток добиться этого только за счет повышения скорости нарастания выходного напряжения УМЗЧ.
    Заметные трудности вызывает уменьшение НИ ввиду множественное ти причин их возникновения и сложности обнаружения [15 20]. В немалой степени решение проблемы сдерживается используемыми методами измерений, не позволяющими с достаточной точностью прогнозировать экспертную оценку. В [21] предложен более информативный метод измерения коэффициента шумовой интермодуляции (КШИ). Однако анализ результатов СОК и при этом методе измерений также не объясняет причины резкой разницы оценок: например, для лампового УМЗЧ — 9 баллов, а для транзисторного — 5. И это при незначительных отличиях в КШИ — 0,8 % и О 9 % соответственно Поэтому и такой метод требует совершенствования.
    Попытка объяснения субъективных оценок для данного случая измерений привела авторов к экспериментальной проверке гипотезы о возможном влиянии на ИИ в УМЗЧ отклика (импульсной реакции) ЭДГ [1]. Для этого использован тот же метод измерения КШИ, но вместо рвзистивной нагрузки УМЗЧ применен реальный ЭДГ. Следует обратить особое внимание на необходимость использования при этих измерениях именно реального ЭДГ, а не его эквивалента, в котором не учитываются нелинейности преобразования сигнала. При этом обнаружилось резкое увеличение КШИ только для транзисторного УМЗЧ с низким выходным сопротивлением вместо 0,9 % стало 97 %, т. е. произошло увеличение более чем в 10 раз. Для лампового УМЗЧ эти величины соответственно составили 08 % и 1,2%.
    Главное отличие при замене резистивного эквивалента нагрузки на реальный ЭДГ заключается в том, что в цепь ООС, кроме выходного напряжения сигнала УМЗЧ и его искажений, дополнительно проникает отклик от ЭДГ. В петлв ООС происходит их объедине ние и образование сигнала компенсации искажении УМЗЧ и отклика от ЭДГ с соответствующими величиной и фазой Частотный спектр сигнала компенсации при этом может в 10 30 раз пре вышать верхнюю границу звукового сигнала.
    Очевидно, основным требованием для исключения искажений является точная их компенсация, что реализовать практически невозможно. Ограничения связаны с реальными АЧХ и ФЧХ УМЗЧ, с уровнем искажений и шумов. Кроме того, на режим компенсации оказывает значительное влияние и нелинейность характеристик ЭДГ. Таким образом, компенсация оказывается неполной. Лучшая компенсация в этом случае достигается только для относительно низкочастотных составляющих спектра продуктов искажений УМЗЧ и отклика от ЭДГ, а высокочастотные составляющие спектра этих колебаний вновь попадают в цепь ООС вызывая появление новых предыскажений в усилителе. Возникает порочный круг, порождающий резкий рост высокочастотных составляющих искажений. Увеличение глубины общей ООС усилителя приводит лишь к дальнейшему расширению спектра искажений и соответственно к еще большему ухудшению качества звуковоспроизведения.
    Кроме того, создаются условия, при которых становится возможным, что простой проводник, каким является соединительный кабель УМЗЧ—ЭДГ, в силу различий своих распределенных параметров способен влиять на результаты СОК, увеличивая или ослабляя определенные гармоники из их богатого разнообразия. При этом появляется ещв одна гипотеза, предлагаемая авторами для объяснения загадочных причин влияния на результаты СОК акустических кабелей: становится возможным рассматривать их как "звуковой вентиль" — ФНЧ, ослабляющий проникание отклика от ЭДГ на выход УМЗЧ.
    Теперь покажем причины малого влияния на ИИ отклика от ЭДГ в ламповых УМЗЧ, имеющих, как правило, согласующий выходной трансформатор и относительно малую глубину ООС Если учесть, что все неприятности от сигнала отклика ЭДГ вызываются прониканием высокочастотных составляющих вго спектра, т. е. помех, то очевидно, что индуктивность рассеяния выходного трансформатора может выполнять при этом полезную роль ФНЧ, значительно ослабляя величину высокочастотных помех, проникающих в усилитель. Кроме того, малая глубина ООС также способствует уменьшению влияния отклика от ЭДГ Как представляется авторам, описанные здесь процессы в системе УМЗЧ—ЭДГ в значительной мере объясняют различие в СОК ламповых и транзисторных УМЗЧ, получен ных в эксперименте [21}
    Результаты анализа свидетельствуют о возможном действии двух составляющих ИИ в системе УМЗЧ— ЭДГ. Одна — это собственные ИИ в УМЗЧ, которые могут быть объектив но измерены (КШИ) при резистивном эквиваленте нагрузки. Вторая — это ИИ, вызываемые в УМЗЧ под влиянием отклика ЭДГ. Обнаружение второй составляющей происходит при нагрузке УМЗЧ на реальный ЭДГ повторным измерением КШИ.
    Это позволяет рекомендовать проектирование УМЗЧ таким образом, чтобы схемотехника обеспечивала мини
    мальные собственные ИИ в УМЗЧ Для анализа их спектра можно использовать несколько измененную методику измерения КШИ, анализируя шум в третьоктавных полосах. На этом этапе следует учитывать тесную взаимосвязь НИ и ИИ, воспользовавшись известными методами для их снижения.
    Как видно из изложенного выше наиболее эффективный метод по уменьшению влияния отклика от ЭДГ на увеличение ИИ в УМЗЧ — исключение условий для его взаимодействия с другими сигналами в петле ООС. Существуют различные методы в реализации этой задачи Так, например, высокой эффективностью обладает пассивное согласующее устройство, названное дисси-патором [14]. Однако в нем возникают существенные потери мощности сигнала. Другой пример более простой реализации УМЗЧ на полевых транзисторах с использованием выходного трансформатора. В этом случае достигаемый эффект значительно уступает диссипатору, но при этом снижаются потери выходной мощности. Макси мальный эффект уменьшения влияния отклика ЭДГ на НИ достигается при одновременном сохранении высокого КПД и отсутствии влияния акустических кабелей УМЗЧ—ЭДГ только использованием УМЗЧ с большим выходным сопротивлением [12 13] В практической реализации УМЗЧ — генератора тока снижается влияние теплофизических процессов, происходящих в его активных и пассивных элементах, на изменения динамического диапазона и интермодуляции сигнала из-за термоком прессии.
    При таком решении существенно улучшается точность воспроизведения атаки. Значительно уменьшаются и искажения, возникающие в ЭДГ по следующим причинам:
    — нелинейность его импеданса от смещения звуковой катушки и изменение ее активного сопротивления от тока при больших уровнях сигнала;
    — нелинейный характер взаимодействия переменного магнитного поля вокруг звуковой катушки с постоянным магнитным полем в зазоре
    наличие дополнительных сил притяжения между магнитопроводом и звуковой катушкой при смещении ее с керна
    На основании изложенного представляется возможным сделать следующие выводы:
    1. Результаты объективных измерений КШИ в УМЗЧ при нагрузке его на реальный ЭДГ позволяют прогнозировать результаты СОК системы УМЗЧ— ЭДГ
    2 Уменьшение величины и спектра НИ и ИИ, их частотная независимость и плавность увеличения при перегруз-, ках являются необходимыми условиями достижения высокой верности звуковоспроизведения в системе УМЗЧ— ЭДГ. Чувствительность УМЗЧ к реакции ЭДГ должна быть минимальна
    3. Наибольший эффект в улучшении качества звуковоспроизведения может быть достигнут при использовании ЭДГ с УМЗЧ, имеющим высокое выходное сопротивление
   
    ЛИТЕРАТУРА
    1 Алдошинв И. А. Электродинамические громкоговорители — М : Радио и связь, 1989, с. 15, 119 144, 148,149.
    2. Kondo Hikaru. Nuevo concepto en amplificatores de potencia para audio sistema "super A" de JVC — Mundo electromco 1980, No 102, p. 75-81.
    3 Tanaka S. New Biasing Circuit far Class В Operation. — JAES vol. 29, № 3 1981 March, p. 148—152.
    4. Решетников О. Снижение искажений в усилителях мощности - Радио 1979, № 12 с 40—42.
    5. Солнцеа Ю. Высококачественный усилитель мощности — Радио 1984, № 5, с. 29—34.
    6. Русси О. УМЗЧ с обратной связью по вычитанию искажений Радио. 1997. № 3. с. 12 14
    7. Cherry Е., Combell G. Output Resistance and Intermediation Distortion of Feedback Amplifiers. — JAES. vol. 30, 1982. No4,p 178—191.
    8. Otala M., Lammasniemi J. Intermodulation Distortion in the Loudspeaker-Amplifiers Interface 59 Convention of the AES, Hamburg, 1978, preprint, № 1336
    9 Bengamln E. Audio Power Amplifiers for Loudspeaker Loads. — JAES, vol. 42 № 9, 1994, p 670—683.
    10. Сырицо А. Работа УМЗЧ на ком плексную нагрузку Радио, 1994 № 1, с 17 19
    11. Агеев С- Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? — Радио, 1997, NO 4, с 14—16
    12. Mills P. G. L. HawkBford M. О. J. Distortion Reduction m Moving-Coil Loudspeaker Systems Using Current-Drive Technology —JAES, vol. 37 №3 1989 March p. 129-148
    13 Mills P. G. L., Hawksford M. O. J. Transconductance Power Amp ifier Systems for Current-Driven Loudspeakers. JAES, vol 37 № 10, 1989, Oct p 809 822
    14 Кунафин Р., СОКОЛОВА. "Российский Hi-End99" —Радио. 1999 №8, с 28—30.
    15 Cherry Е. М. Nested Differentiating Feedback Loops in Simple Audio Power Amplifiers. — JAES. vol 30.1982. № 5 p. 295—305
    16. Hawksford M. О J. Distortion Correction in Audio Power Amplifiers JAES vo.29. 198l.N<>1 2 p 27-30
    17 Margon E. Crossover distortion in class В amplifiers Electronics & Wireless World 1987. July p 739-742
    18 Mcloughlln M. Reducing crossover distortion. Electronics & Wireless World 1999 Oct , p. 879 882
    19 Черевань Ю. УМЗЧ с коррекцией динамической характеристики Радио, 1990 № 2.с 62 68
    20 Petri-Larmi M., Otala M., Lammae-niemi J. Psychoacoustic Detection Threshold of Transient Intermodulation on Distortion JAES 1980. vol 28 №3 p 98 104
    21 Сырицо А Измерение нелинейных искажений на шумовом сигнале Радио 1999, №4 с 29 30