^вверх

Next Sound

nachodki.ru интернет-магазин

Наши Статьи

,

Особенности Lx коррекции

Большинство любителей музыки, начав создавать свою домашнюю аудио-систему, рано или поздно сталкиваются с тем, что звучание ее меняется не только с изменением объективных параметров  аппаратов,  указанных в их технических характеристиках, но и от замены акустических и межблочных кабелей, от изменения направления кабелей, от установки аппаратов на шипы или подставки, от замены стойки или даже просто от перемещения ее в другое место помещения. 
Большинство таких изменений нельзя зарегистрировать с помощью измерительной аппаратуры, но прекрасно регистрируется нашим слухом.
Такая же ситуация наблюдается и при создании самой аппаратуры – не только два конденсатора с одинаковыми параметрами часто имеют совершенно разный характер звучания, но и разные типы схем имеют кардинально разный звук. 
Например, известный японский меломан Susumu Sakuma, строя свою систему, обратил внимание [1] , что схемы с применением трансформаторных связей звучат лучше, чем традиционные с применением резисторов и конденсаторов, несмотря на то, что каскад с трансформаторной связью может иметь более узкую полосу частот (следует отметить, что трансформаторный каскад имеет более благоприятный спектр искажений, обладает лучшими шумовыми характеристиками, позволяет эффективнее использовать мощность источника питания и развязать каскады по «земле»). Susumu Sakuma использует в своих RIAA – корректорах LCR – цепочку, однако отмечает, что она не строго соответствует стандартной АЧХ. 
Наш опыт построения ламповых усилителей также подтвердил преимущества трансформаторных каскадов – они звучат более живо, открыто, тембрально насыщенно и натурально.
При создании таких аппаратов, как RIAA-корректоры, много лет назад я столкнулся с тем, что резистор большого номинала, включенный последовательно с сигналом в цепи традиционной RC-коррекции, кардинальным образом влияет на звук – делает его вялым, скучным и затуманенным. Думая над тем, как решить эту проблему, я разработал простую и элегантную схему, в которой коррекция осуществляется в аноде пентода без последовательного резистора. Это все та же RC – коррекция, но в ней нет одной «все портящей» детали. 
Такое решение вывело аппарат на более высокий уровень. В 2002 году я опубликовал эту схему под названием «Народный корректор»  [2] и  она стала весьма популярной среди самодельщиков как в России, так и в других странах [6] [7] [8]
Параллельно работе над «Народным» я обратил внимание на решение, предложенное японскими разработчиками аудио – RIAA коррекцию с применением катушек индуктивности – LCR коррекцию [3].   
Корректор с применением LCR модулей Tango [9] уверенно «переиграл» описанный выше «Народный», и направил мои усилия на исследование поведения индуктивных элементов в цепях коррекции. Другим известным мне примером такого корректора служит серийно выпускающийся WAVAC LCR-X2 (30000$).
Хирояши Кондо (Audio Note Japan) применил LR коррекцию в флагманском корректоре фирмы Audio Note M-10.
 
В 2001-м году в журнале «Аудиомагазин» была опубликована статья А. М. Лихницкого «RX-корректор», [4] в которой автор привел свои выводы о недостатках звучания RC – коррекции, провел анализ особенностей звучания разных типов конденсаторов и возложил основную «ответственность»  за порчу звука на них. 
Также в статье опубликовано изобретение нового типа коррекции с использованием «невидимой» индуктивности, т.е. использование «вредного» (паразитного) параметра в полезных целях. Действительно, если у трансформаторов, ламп, транзисторов все равно есть «паразитные» емкости и индуктивности, то почему бы их не использовать? 
Этой идеей загорелся Питер Квортруп (Audio Note UK), и воплотил ее в ставшем флагманом AN M-9 phono ($150000) [5]
Однако мои исследования показали, что конденсаторы – меньшее «зло», чем резисторы, а в LR (Rx) коррекции они присутствуют, как шунтирующие элементы, и их «удушающий» голос все равно слышен. Резисторы становятся «узким местом».
Попутно выяснилась еще одна особенность LR коррекции (помимо борьбы с паразитной емкостью, которая искажает АЧХ, этот вопрос решается конструктивно): дело в том, что LR цепь создает переменную нагрузку на каскад – она максимальна на низких частотах, и резко падает на СЧ и ВЧ. В силу того, что нагруженный на цепь коррекции каскад имеет определенное выходное сопротивление, переменная нагрузка искажает АЧХ, тем самым ослабляя сигнал на низких частотах. Это на слух воспринимается как некоторая легковесность звучания, проявляющаяся даже при приведении АЧХ в соответствие с RIAA. 
Результатом поиска решения этих проблем (как объективных, так и субъективных) стало появление оригинальной разработки, которую я назвал «Lx коррекция». В этой схеме коррекции присутствуют только специально спроектированный Lx – трансформатор, осуществляющий коррекцию НЧ и СЧ (3180 и 318 мкс) и индуктивность, производящая коррекцию ВЧ (75 мкс). 
Роль нагрузки для «катушек» выполняют внутренние сопротивления самих усилительных ламп. Таким образом, количество элементов доведено до минимума.  К тому же, непосредственно корректирующий каскад не имеет ограничения по низким частотам, полосу на НЧ задает выходной (буферный) каскад, который возможно сделать сколь угодно широкополосным. 
Новый корректор обладает необыкновенной живостью звучания, живой динамичностью, ясностью,  объемом и глубиной, что выводит систему на новую ступень, не достигавшуюся ранее. 
 
Евгений Комиссаров, октябрь 2016г.
 
Литература:
 
[4] АудиоМагазин 2001г.  № 5 (40) с. 167-173,  http://www.aml.nm.ru/articles/rx_corrector.htm
 
 
 
 
 
 
 
 
Continue reading
886 Hits

Почему вакуумный триод звучит музыкально

В предлагаемом материале я пытаюсь дать физическое объяснение музыкальности звучания вакуумных триодов. Я намеренно не рассматриваю вопросы электрических параметров различных ламп. Их влияние на качество звукопередачи рассмотрено в большом числе статей и мне нет необходимости их повторять. Так же я не рассматриваю влияние качества и направленности проводов, из которых собран усилитель, этому вопросу посвящены другие интересные исследования. Я не буду рассматривать конкретные модели ламп, а постараюсь использовать их общие характерные черты.

В среде аудиофилов все больше формируется убеждение, что только вакуумный триод - самый правильный прибор для усиления звуковых сигналов. Предполагая, что это вряд ли является массовым помешательством, попробую проанализировать технически, какие особенности триодов могут привести к такому результату.

Для начала, вспомним устройство триода: катод, сетка, анод. На анод подается высокое положительное напряжение. Катод нагревается и электроны, испущенные катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, начинают лететь к аноду под действием электрического поля. Сетка располагается ближе к катоду. Если на нее подать отрицательное запирающее напряжение, то поле в области катода изменится и электроны уже не будут так легко лететь к аноду. Меняя напряжение на сетке можно управлять током анода. Получить только изменение тока на выходе триода интереса нет, в цепи анода включается нагрузка и напряжение на аноде изменяется. В реальных конструкциях, особенно в оконечных каскадах усилителей, размах напряжения на аноде составляет от пары сотен вольт до полутора киловольт.

Итак, разность напряжений между сеткой и анодом изменяется в очень большом диапазоне. А теперь вспомним, что сила притяжения действует не только на электроны, но и на сетку. Сетка не обладает абсолютной жесткостью, она прогибается под действием электростатических сил. Обычно сетка намотана тонкой проволокой на более мощном каркасе. Каждая проволочка сетки может быть рассмотрена нами как струна. У струны есть моды колебаний, возбуждая на которых струну, она будет входить в резонанс и амплитуда колебаний будет возрастать. Однако, при таких колебаниях происходит изменение расстояние между катодом и сеткой. Сигнал с большими частотами получается промодулирован по амплитуде. Различные амплитуды и частоты модуляций воспринимаются слухом как окраски звучания. Если сигнал по частотам близок к частотам модуляции, то могут возникать биения. Но не будем торопиться и попробуем дать качественную оценку размерам ожидаемого эффекта. При производстве ламп большое внимание уделяется (точнее выразиться уделялось) вопросам микрофонного эффекта. По сути, это абсолютно тот же эффект, только возбуждение колебаний сетки происходит не под действием электростатических сил, а от внешнего воздействия. Микрофонный эффект весьма велик во многих лампах, достаточно постучать по ним ногтем, а в малошумящих даже нормируется. Для сравнения вспомним конструкцию электростатического громкоговорителя. Там звук излучается вследствие электростатических сил, действующих на пленку. Размеры зазоров и порядки напряжений в таком громкоговорителе примерно совпадают с этими же параметрами лампы. Значит сила, действующая на сетку достаточна, что бы излучать звук, была бы вместо не пленка, а вместо вакуума воздух. По-видимому, уровень сил от микрофонного возбуждения окажется выше, потому я оценю эффект электростатического возбуждения колебаний сетки вакуумного триода как несколько более слабым, чем микрофонный.

Подадим широкополосный сигнал на триод. Возбудились моды колебания сетки. Объем паразитного сигнала от такого возбуждения мал, по сравнению с самим сигналом, к тому же частоты колебаний резонансного контура совпадают с частотами возбуждающего сигнала. Значит, кроме как небольшой модуляцией ВЧ сигналов, такое возбуждение себя не проявит. Выключим сигнал. Сетка осталась сама по себе и продолжает колебаться, но уже с частотами своих резонансов. Эти колебания затухают и дают небольшое послезвучие после сигнала с большим уровнем. С чем можно сравнить такое послезвучие? Например, со звучанием деки музыкального инструмента. Именно наличие собственных мод колебаний у деки, той же гитары, дает богатство звучания. Триод добавил свои послезвучия, но нам неизвестно какие они были изначально и суммарный результат обогащает звучание инструментов, что порождает ощущение большей музыкальности звучания такого усилителя.

Почему разные триоды звучат по-разному?

Разные лампы имеют разную конструкцию. В результате моды колебаний у разных ламп оказываются разными. Далеко не всегда эти моды будут вызывать приятные амплитудные модуляции сигнала и музыкальные послезвучия. Выбирая из разных моделей триодов можно подобрать тот, чьи вибрационные параметры наиболее приятны для слуха. Триоды одной марки, но разных производителей так же могут звучать по разному. Каждый производитель накладывает на конструкцию лампы свои производственные возможности и использует разные материалы, применяет разное натяжение проволоки, составляющей сетку. Соответственно механические параметры конструкции оказываются несколько иными, что конечно выражается разным звучанием. Я уже не говорю о том, что разные материалы могут по разному звучать, а различные геометрические параметры приводят к различиям и электрических параметров ламп разных производителей. Однако, даже у ламп из одной партии, при изготовлении есть допуски и даже тут будут некоторые вариации в механических параметрах ламп.

Почему старые триоды предпочтительнее?

По мере развития производства ламп, решались задачи по увеличению жесткости конструкции и снижению уровня резонансов, в том числе в конструкции сеток. Более новые лампы имеют меньший уровень паразитных колебаний сетки за счет большего совершенства их конструкции. В старых лампах частоты мод колебаний сетки были ниже, а добротность колебательных систем выше. В итоге, амплитудные модуляции распространялись на сигналы с меньшими частотами, а длительность послезвучий увеличивается.

Почему прямонакальные триоды так любят?

В прямонакальном триоде, кроме колебаний сетки, есть еще колебания нити катода. Жесткость катода прямого накала в разогретом состоянии сильно снижается и колебания легко распространяются по нему. Хотя уровень электростатических сил, действующих на катод, заметно ниже тех же сил, действующих на сетку, по причине значительно меньшей амплитуды разности напряжений между сеткой и катодом, зато моды колебаний катода прямого накала совсем низкие, что приближает характер амплитудных модуляций к натуральным.

Почему пентоды не звучат как триоды?

В пентоде или в тетроде присутствует дополнительная сетка, на которую подается постоянное напряжение. Она экранирует переменное электростатическое поле от управляющей сетки и ловит на себя электростатические силы возбуждения. Но чувствительность пентодов на колебания экранирующей сетки значительно ниже, чем чувствительность на колебания управляющей сетки, поскольку экранирующая сетка располагается далеко от катода. Получается, что возбужденные колебания экранирующей сетки мало отражаются на полезном сигнале.

Почему транзисторы звучат столь "мертво", по сравнению с триодами?

В конструкции транзистора практически отсутствуют механизмы резонансного возбуждения колебаний полезным сигналом, которые, к тому же, линейно влияли бы на передачу сигнала и давали послезвучия.

Почему ООС противопоказана вакуумному триоду?

Если мы замыкаем цепь ООС вокруг триода, то происходит его линеаризация, что, в том числе, выражается в подавлении паразитных модуляций и послезвучий (как помех) пропорционально глубине ООС. Если триод изначально не очень линеен, то ООС позволяет повысить его линейность, что выразится в более высоком разрешении в звучании. Однако, на столько же подавятся музыкальные добавления, вносимые триодом. Это полностью соответствует расхожему мнению, что ООС убивает музыкальность триода. Для таких триодов приходится искать баланс между разрешением и музыкальностью. Если триод изначально линеен, то введение ООС практически не повышает разрешения в звучании, но снижает музыкальность, что легко замечают многие, кто проделывал подобные эксперименты.

Чем этот эффект отличается от акустической обратной связи?

Если усилитель стоит в том же помещении, что и акустические системы, то звуковые колебания попадают на стеки через механическое возбуждение. Однако, вследствие низкой скорости распространения звуковых колебаний в воздухе, возбуждение происходит с задержкой, а фаза возбуждающего воздействия не синхронна полезному сигналу. В итоге такое возбуждение вносит кашу в звучание усилителя и потому с ним приходится бороться. При электростатическом возбуждении колебаний сетки, фаза возбуждающих сил синхронна с полезным сигналом во всем диапазоне частот, а временное отставание отсутствует. В итоге, послезвучия привязаны к звучанию инструмента и сливаются с ним, а не воспринимаются как посторонние призвуки в случае наличия временной задержки.

Обманывает или нет?

Проведем такой мысленный эксперимент. Возьмем очень хороший звуковой тракт, состоящий из высококачественного микрофона, линейного микрофонного усилителя, высококачественного транзисторного усилителя и высококачественных АС. Расположим микрофон в студии, а АС в отдельной комнате. Пусть в студии будут играть музыканты. Слушатель будет ходить между студией и комнатой прослушивания и сравнивать звучание. Отстроим систему так, что слушатель скажет, что разницы в звучании нет, система честно повторяет звук в студии. Теперь поставим еще один высококачественный усилитель мощности на триодах, а второго слушателя не пустим к музыкантам, он будет переключаться только между усилителями. Что он предпочтет? Скорее всего это будет триодный усилитель, Аргументы будут просты, он дает выше богатство тембров, в его звучании больше послезвучий, через него гораздо лучше слышна дека скрипки или гитары. Т.е. при отсутствии эталона, а только при относительном сравнении выбор окажется в пользу лампового триодного усилителя.

Заключение.

Для чего мы слушаем музыку? Для получения эстетического удовольствия. Мы не присутствовали на записи диска или на концерте, а даже если и присутствовали, то наша акустическая память уже давно заменила реально слышанный звук на некий внутренний канон, который мы в себе выработали. Соответственно, при прослушивании записи мы уже не можем сказать, что мы слышим именно так, как оно звучало тогда. Мы уже оцениваем звучание с точки зрения удовлетворения нашей эстетической потребности. В этом смысле, усилитель на вакуумных триодах дает гораздо большее наслаждение от прослушивания. А звук каждый выбирает для себя сам, потому и присутствуют в продаже все виды звуковой техники.

Continue reading
658 Hits

Когда лампа лучше, чем транзистор

Многие годы производители транзисторных усилителей водили аудиофилов за нос, предлагая им правдоподобные объяснения, почему следует старую модель усилителя заменить на новую. Коротко напоминаю эти объяснения:
- слишком велики гармонические искажения (в новых моделях усилителей искажения снижены до 0,0001%);
- мал коэффициент демпфирования (коэффициент демпфирования достиг 1000);
- недостаточно широка полоса воспроизводимых частот (полоса была расширена до 5 МГц);
- усилители ограничивают скорость изменения сигнала (на лицевых панелях новых усилителей появилась надпись High Speed Amplifier");
- громкоговоритель требует большего тока (и вот множество включенных параллельно выходных транзисторов обеспечивают выходной ток усилителя 100 А).
Этот список можно было бы продолжить.
Пока удавалось поддерживать у адиофилов веру во все эти технические "заморочки", на рынке усилителей царило оживление...
Имеет ли лампа преимущество перед транзистором? И если имеет, то при каких условиях они проявляются? Ответы Вы найдете в этой статье.

Чтобы сразу не впасть в мистику, рассмотрим на физическом уровне различия между лампой, полевым и биполярным транзисторами.

Лампу (возьмем в качестве примера триод) можно рассматривать как "проводник", который состоит из тщательно очищенных от кислорода электродов - анода и катода, - а также вакуумного промежутка между ними, заполненного носителями заряда - энергетически возбужденными свободными электронами. Переносимый через вакуум свободными электронами ток анода управляется напряжением между сеткой и катодом.
Усилительные свойства триода можно характеризовать крутизной характеристики, то есть отношением приращения тока анода к приращению напряжения "сетка - катод" (при неизменном напряжении на аноде). Независимость крутизны от электрических режимов лампы является показателем ее линейности. Особенно важно, что крутизна характеристики триода мало зависит от тока анода (в большинстве случаев она пропорциональна примерно корню 3-й степени из величины этого тока). Влиянием входной характеристики лампы ва линейность можно пренебречь, так как в режиме отрицательного смещения сетки ток в ее цепи отсутствует.

Межэлектродные емкости постоянны и не зависят от электрических ре-жимов лампы. Немаловажно также то, что основные параметры лампы не зависят от температуры анода или, иначе, от выделяемой на нем мощности. И еще одно важное преимущество именно триода - низкое внутреннее сопротивление, которое при оптимальном режиме использования лампы меньше сопротивления нагрузки приблизительно в два раза.

Зависимость внутреннего сопротивления от тока анода обратна зависимости крутизны триода от этого тока, поэтому в режиме, а котором сопротивление нагрузки больше внутреннего сопротивлений, усиление лампы практически не зависит от тока анода.

Полевой транзистор тоже можно рассматривать как "проводник". Проводящей частью транзистора является канал в кристалле сверхчистого кремния, тип проводимости которого (p или n) задается ничтожной примесью индия или мышьяка. В зависимости от типа проводимости транзистора а канале перемещаются носители заряда: свободные электроны или "дырки" (не заполненные электронами места в кристаллической решетке). Как и в ламповом триоде, ток на выходе полевого транзистора (ток стока) управляется напряжением между затвором и истоком.

Усилительные свойства полевого транзистора (как и лампы) можно характеризовать крутизной (то есть отношением приращения тока стока к приращению напряжения "затвор - исток").

Полевой транзистор имеет более выраженную нелинейность, чем лампа. Почти у всех типов полевых транзисторов крутизна увеличивается пропорционально квадратному корню из величины тока стока.

Как и у лампы, ток управляющей цепи (цепи затвора) отсутствует, поэтому нелинейностью входной характеристики полевого транзистора можно пренебречь. Несколько хуже с межэлектродными емкостями. Наиболее важная емкость "сток - затвор" зависит от действующего между этими электродами напряжения.

Самым неутешительным фактом следует признать высокую чувствительность тока стока и крутизны полевого транзистора к изменениям температуры его кристалла. Эта чувствительность объясняется ростом подвижности носителей заряда при увеличении температуры и обычно характеризуется температурным коэффициентом напряжения "затвор - исток" (то есть приращением напряжения на затворе. которое необходимо для поддержания на постоянном уровне стока транзистора при повышении температуры его кристалла на один градус). В зависимости от режима, в котором используется полевой транзистор, температурный коэффициент может принимать значение от 2 до -3 мВ/град (Полевой транзистор может быть поставлен в такой режим, при котором температурный коэффициент будет равен нулю).

Хуже всего то, что температура кристалла транзистора, хотя и с инерцией (определяемой тепловой постоянной времени этого транзистора), но успевает почти за всеми изменениями рассеиваемой в транзисторе мгновенной мощности, однако об отрицательном значении этого мы поговорим несколько позднее.

Кроме транзисторов со статической индукцией, остальные типы полевых транзисторов имеют внутреннее сопротивление значительно большее, чем сопротивление нагрузки.
Биполярный транзистор -также своего рода "проводник". Однако физические процессы, связанные с прохождением в нем тока, коренным образом отличаются от тех, которые протекают в лампах и полевых транзисторах.

Первое отличие состоит в том, что носителям заряда, а ими являются электроны или дырки, приходится преодолевать два барьера (p-n-перехода): эмиттер - база и база - коллектор, то есть дважды переходить от кристаллической решетки одного типа к решетке другого типа.

Второе отличие - в принципе управления током коллектора. Величина этого тока зависит от количества "впрыснутых" из эмиттера в базу так называемых неосновных для нее носителей, которые "блуждают" в ней, дока не будут втянуты сильным электрическим полем коллектора, смещенного в обратном направлении по отношению к безе. Управление впрыскиванием в базу не основных носителей осуществляется путем смещения в прямом направлении (иначе говоря, приоткрывания) база-эмиттерного перехода транзистора. Усилительные свойства биполярного транзистора также можно характеризовать крутизной (то есть отношением приращении тока коллектора к приращению напряжения базе - эмиттер). В соответствии с теорией крутизна биполярного транзистора приблизительно пропорциональна току коллектора, поэтому он имеет более выраженную нелинейность, чем полевой транзистор.

В отличие от лампы и полевого транзистора, к нелинейности крутизны биполярного транзистора следует добавить нелинейность его входной характеристики. И это понятно, так как даже по виду она мало чем отличается от вольтамперной характеристики прямо смещенного диода.

С межэлектродными емкостями здесь творится то же самое, что и в полевом транзисторе. Наиболее важная емкость перехода коллектор -- база биполярного транзистора зависит от действующего между этими электродами напряжения.

В биполярном транзисторе мы также сталкиваемся с высокой чувствительностью его параметров к изменениям температуры кристалла. А именно, температурный коэффициент напряжения база - эмиттер равен -2,2 мВ/ град, а коэффициент усиления по току транзистора увеличивается на 2-3 % / град. Так же как и в полевом транзисторе, температура кристалла биполярного транзистора с инерцией (определяемой тепловой постоянной времени) успевает за изменениями рассеиваемой в транзисторе мгновенной мощности.

Внутреннее сопротивление биполярных транзисторов тоже не оставляет никакой надежды - оно всегда больше сопротивления нагрузки. Сгруппируем теперь наиболее важные и вполне объективные отличия лампы, полевого и биполярного транзистора в таблице 1.

 

Таблица 1

Усилительный элемент ►
Вид отличий ▼

Лампа (триод)

Полевой транзистор

Биполярный транзистор

Тип проводимости

Электронная (через вакуум)

Электронная или дырочная (через канал в кристалле кремния)

Электронная или дырочная (через два барьера: эмиттер-база и база-коллектор)

Нелинейность входная

Отсутствует

На ВЧ обусловлена зависимостью емкости сток-затвор от напряжения. На НЧ отсутствует.

На ВЧ обусловлена зависимостью емкости коллектор-база от напряжения. На НЧ обусловлена нелинейностью ВАХ база-эмиттер. Пропорциональна величине тока коллектора

Нелинейность выходная

Пропорциональна корню третьей степени из величины тока анода

Пропорциональна квадратному корню из величины тока стока

Пропорциональна величине тока коллектора

Термочувствительные параметры

Отсутствуют

Ток стока и крутизна зависят от мгновенной температуры кристалла

Ток коллектора и коэффициент усиления по току зависят от мгновенной температуры кристалла

Выходное сопротивление

В два раза меньше сопротивления нагрузки

Больше сопротивления нагрузки (кроме транзисторов типа СИТ)

Больше сопротивления нагрузки

 

Главных отличий три. Биполярный транзистор отличается от лампы термочувствительностью основных параметров, большей нелинейностью входных и выходных характеристик (полевой транзистор занимает в этом ряду промежуточное положение); а кроме этого, лампа (триод) превосходит транзистор в части удобства согласования своего внутреннего сопротивления с громкоговорителем.

С моей точки зрения, всего этого вполне достаточно, чтобы предпочесть ламповый усилитель усилителю на полевых транзисторах, а последний - усилителю на биполярных транзисторах.

Объективист: Ваша точка зрения звучит не очень убедительно, ведь против отмеченных вами недостатков транзисторов есть радикальное средство - отрицательная обратная связь (ООС), Лучше поищите причины плохого звучания транзисторных усилителей в их схемах.

Автор: Согласен. Сравним традиционный и хорошо зарекомендовавший себя усилитель на лампах (см. схему на рис. 1) я достаточно простой для рассмотрения усилитель ва биполярных транзисторах (см. схему на рис. 2).Схема

Главное, что отличает ламповый усилитель, - это выходной трансформатор, который служит для преобразования низкого сопротивления громкоговорителя в оптимальное сопротивление нагрузки выходных ламп. В транзисторном усилителе оптимальное согласование возможно без применения трансформатора. Без трансформатора в ламповом усилителе трудно обойтись хотя бы потому, что с его помощью обеспечивается симметричная работа выходного каскада в режиме "тяни-толкай" (push-pull). В транзисторном усилителе этот режим может быть достигнут включением последовательно транзисторов разного типа проводимости. Лампу с противоположным типом проводимости, к сожалению, пока не изобрели.

О.: Видите! Транзисторный усилитель не сложнее лампового, а главное - в нем нет выходного трансформатора, поэтому если транзисторы сами по себе не вызывают слабо поддающуюся объективному анализу "порчу" звука, то транзисторный усилитель должен звучать лучше лампового.

СхемаА.: Не спешите с выводами, а внимательно всмотритесь в обе схемы (рис. 1 и 2). Принципиальным отличием лампового усилителя от транзисторного является отсутствие в нем ООС. В транзисторном же усилителе каждый транзистор и усилитель в целом охвачены ООС. Действительно: Т1 охвачен местной последовательной ООС по тону через R3, Т2 охвачен местной ООС потоку через R 6, выходные транзисторы ТЗ и Т4 охвачены местными ООС по току через резисторы R7 и R8 с также последовательной ООС по напряжению через сопротивление громкоговорителя; усилитель в целом охвачен общей последовательной ООС по напряжению через делитель из резисторов R4 и R3 (рис.2).

О.: Хотя от использования ООС я вижу только пользу, однако готов предложить вам схему транзисторного усилителя, в котором ООС нет (см. рис. 3).

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.Сигнальный граф

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.

Continue reading
729 Hits
Featured

Волшебство лампового звука

 Казалось бы, радиолампы остались в далеком прошлом и в век новых технологий представляют разве что историческую ценность. Но сейчас во всем мире растет интерес к использованию радиоламп в аппаратуре, и связано это, как ни странно, с цифровыми технологиями в звукозаписи. 
    Подход истинных ценителей качества звука к оценке аппаратуры во многом похож на подход гурманов. В самом деле, разве настоящим ценителям вкусной еды есть дело до скучных выкладок, сколько витаминов и микроэлементов, а также жиров и углеводов содержится в блюдах, подаваемых в лучших ресторанах? 
    С недавних пор особенно «вкусным аудиоблюдом» считается звучание ламповой аппаратуры. Самые тонкие ценители за огромные деньги покупают модели на лампах или даже делают заказы на их штучное производство. 
    И никто, наверное, уже не вспоминает, как всего два десятилетия тому назад на помойки выбрасывались ламповые радиолы и телевизоры. И вот эта техника возвращается, причем уже в качестве атрибута престижа. Что это - просто модное увлечение или же техника, как иногда бывает, развиваясь по спирали, сделала очередной круг и привела нас опять к лампам?

    ИСТОРИЯ

    Усилительная радиолампа была изобретена в 1906 году американцем Ли Де Форестом. В этом году изобретению, которое в свое время произвело настоящую революцию в технике, исполняется 100 лет. С началом серийного выпуска радиоламп стали возможны радиовещание и телефонная связь на большие расстояния. В 20-х годах появляются первые радиоприемники на лампах. Затем усилители на лампах начинают использоваться в электропроигрывателях. Расцвет ламповой техники пришелся на 50-е годы. В это время радиоприемники, проигрыватели и телевизоры превратились в по-настоящему массовые продукты. Но тогда же, в 50-х годах, у радиолампы появился соперник: началось производство полупроводниковых усилительных устройств - транзисторов. Поначалу транзисторы использовались только в переносной технике, где были важны такие их преимущества, как малые размеры и скромные потребности в электроэнергии. В 70-х годах в аппаратуру начинают внедряться интегральные микросхемы. В одной микросхеме размером с почтовую марку помещались сначала десятки, потом сотни (а теперь уже и миллионы) транзисторов. Стало легко реализовывать функции, которые для ламповой техники неприемлемы. С появлением микросхем в аудиовидеоаппаратуре начали использоваться цифровые технологии. Однако вплоть до середины 70-х годов ламповая аппаратура превосходила устройства на полупроводниках как минимум по двум параметрам. Во-первых, максимальная выходная мощность у ламповых усилителей была выше. Во-вторых, они вносили меньше искажений в сигнал. Вот почему до середины 70-х годов высококачественная аудиоаппаратура делалась исключительно на лампах. Кроме того, выпускалась комбинированная аппаратура, где большинство узлов выполнено на транзисторах, но там, где были необходимы большая мощность и большое напряжение, использовались лампы. У транзисторов выше коэффициент полезного действия. Это значит, что при равной потребляемой мощности у транзисторного усилителя выходная мощность выше, чем у лампового. Возможности электропитания в обычной квартире не безграничны, поэтому в итоге транзисторная аппаратура обогнала по выходной мощности ламповую. Последним оплотом ламповой техники были телевизоры. Ламповые телевизоры выпускались вплоть до конца 80-х годов. Замену ламп на транзисторы и микросхемы подстегнуло цветное телевидение. Уже столь сложное устройство, как цветной телевизор, будучи выполненным на лампах, оказывается недостаточно надежным и потребляет очень много электроэнергии. Но в индустрии звукозаписи в начале 80-х годов произошли события, которые заложили основу для триумфального возвращения радиолампы. К ним мы еще вернемся, а пока посмотрим, что же происходило за пределами мира бытовой радиоаппаратуры. 

    ВОЕННОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

    Если в аппаратуре для широкого потребления, начиная с 50-х годов, шел процесс активного перехода на полупроводники, то оборонная промышленность как в СССР, так и на Западе, продолжала создавать новые образцы аппаратуры на лампах. Мало того, сама конструкция лампы продолжала совершенствоваться. Привычные всем нам радиолампы для гражданского применения представляют собой «бочонки» диаметром 2-3 см и длиной около 6 см. Громоздкость усугубляется тем, что для радиолампы нужен еще специальный разъем (так называемая панелька), в который она вставляется. Это позволяет быстро заменять лампу, ведь к такой процедуре приходится прибегать довольно часто. Однако в 50-х годах для военных целей были созданы радиолампы нового типа - так называемые нувисторы. Время службы нувистора сопоставимо с временем службы транзистора. Это значит, что можно обойтись без панелек и впаивать нувисторы непосредственно в монтажную плату, точно так же, как и другие радиодетали. Были разработаны и другие технические решения, позволившие сделать радиолампы более компактными, экономичными и надежными. Создавались военные рации на лампах размером с обычный переносной приемник на транзисторах. Бортовая аппаратура военных самолетов также создавалась на радиолампах. Причины, по которым военные в разных странах отдавали предпочтение радиолампам, были связаны отнюдь не с их консерватизмом. Просто ламповая техника долгое время больше подходила для специфики военного применения, чем полупроводниковая. Так, выпускавшиеся в 50-60-х годах транзисторы были очень чувствительны к изменению температуры. Но самая главная причина заключается в том, что ламповая техника лучше приспособлена к ядерной войне. При ядерном взрыве создается мощный электромагнитный импульс, который способен вывести из строя аппаратуру на полупроводниках. А вот радиолампы вполне способны его выдержать. Радиация также губительна для полупроводниковой техники, но почти не действует на радиолампы. Такова была ситуация по крайней мере вплоть до 80-х годов. Как обстоит дело сейчас, смогли ли создать транзисторы и микросхемы, способные работать в условиях ядерной войны, неизвестно. По понятным причинам эта информация засекречена. Тем не менее времена «холодной войны» подарили нам множество интересных решений в области ламповой техники. В силу своей дороговизны они тогда не использовались в аппаратуре широкого применения. Но сейчас производители high-end-аппаратуры активно используют наработки прошлых лет. 
ВОЗВРАЩЕНИЕ ЛАМПЫ

    В начале 80-х годов появился CD, который стал первым массовым цифровым носителем для записи звука. Сначала продвижение CD было четко ориентировано на людей, серьезно увлекающихся музыкой. И здесь не обошлось без некоторых накладок. Меломаны покупали CD-проигрыватели, подключали к ним имевшиеся транзисторные усилители, изначально предназначенные для работы с проигрывателями для «винила» и... испытывали разочарование. Сигнал, выходящий из винилового проигрывателя,гладкий, его динамический диапазон (то есть соотношение между мощностями самого громкого и самого тихого звуков) был сужен при записи, чтобы поместиться в дорожку пластинки. Транзисторный усилитель хорошо справлялся с таким сигналом. А что получалось на выходе CD-проигрывателя? Динамический диапазон широкий, в сигнале много резких перепадов. Работая с таким сигналом, транзисторный усилитель вносил в него значительные искажения. И вот в какой-то светлой голове возникла мысль, а не подсоединить ли CD-проигрыватель к ламповому усилителю? На первый взгляд такое решение выглядело дикостью - подключить ультрасовременное устройство к аппарату, выполненному из компонентов, признанных морально устаревшими. Но результаты превзошли все ожидания - получилось чистое звучание, CD смог раскрыть свои богатые возможности. Вопреки расхожему мнению, именно появлению CD, а не ностальгической моде на «винил», и обязана радиолампа своим триумфальным возвращением. В 80-е годы американские меломаны в основной своей массе перешли с «винила» на CD. Соответственно возник большой спрос на ламповые усилители. Но к тому моменту производство радиоламп для широкого применения в США уже было прекращено. Где можно было найти радиолампы? Оказывается, в СССР и Китае. Неповоротливая советская электронная промышленность продолжала производить радиолампы в большом количестве. Что касается Китая, то в 80-е годы он еще плелся в хвосте прогресса в электронной промышленности, и там радиолампы тоже производились. Было создано американо-советское предприятие Sovtek, которое начало поставлять советские радиолампы в США. И до сих пор этот бренд занимает серьезные позиции на американском рынке радиоламп. Сейчас аппаратуру на радиолампах Sovtek производит, например, американская компания Conrad-Johnson. Кроме Sovtek в продукции американских фирм широко используются радиолампы знаменитого санкт-петербургского завода «Светлана». Причем выбор на продукцию предприятия из бывшего СССР пал не из-за цены, а потому, что оно обеспечивает высокое качество звука. Существуют и отечественные производители ламповых усилителей. Главным образом это небольшие фирмы, которые выпускают аппаратуру мелкими партиями или по индивидуальным заказам. 

СЕКРЕТЫ ЛАМПОВОГО ЗВУКА

    На заре развития транзисторной техники объяснение тому, что лампа звучит лучше, было простое - полупроводниковые приборы были тогда еще небезупречны. Но шло время, транзисторы совершенствовались, и прежнее объяснение феномена лампового звука вызывало все больше вопросов. В самом деле, коэффициент нелинейных искаженийу современных моделей высококачественных транзисторных усилителей составляет 0,01-0,001%. А у лампового усилителя по самому принципу его действия нелинейные искажения составляют более 0,5%. Конструкция большинства ламповых усилителей устроена таким образом, что сигнал на акустическую систему подается через выходной трансформатор. Это ухудшает воспроизведение глубоких басов. Ламповому усилителю с трудом дается воспроизведение динамичных моментов в музыкальных произведениях. Тем не менее звучание ламповой аппаратуры субъективно воспринимается как более приятное по сравнению с транзисторной. На первый взгляд это парадокс - пользователь субъективно оценивает более высоко устройство, у которого технические характеристики хуже. Но существует и четкое научное объяснение этому феномену. Да, современный транзистор вносит меньше искажений в сигнал, чем радиолампа. Но это искажения различного типа, и то, как изменяет сигнал радиолампа, более терпимо воспринимается человеческим слухом. Радиолампа при усилении добавляет в сигнал четные гармоники. Субъективно слух воспринимает звучание, в котором есть четные гармоники, как более теплое. В том, что такие гармоники неизбежно добавляются при усилении, естественно в разумных пределах, есть даже польза, потому что звучание становится более приятным для слуха. Кроме того, ламповый усилитель добавляет от себя главным образом гармоники низкого порядка (в основном 2 и 4), которые вызывают у слушателя меньше раздражения, чем гармоники высокого порядка. Для транзистора характерно добавление в сигнал в основном нечетных гармоник. Наш слух воспринимает звук, обогащенный нечетными гармониками, как более резкий. К тому же транзисторы дают гармоники высокого порядка (7 и даже выше), которые раздражают слух. Таким образом, приятное звучание лампового усилителя создается во многом за счет «приправы» в виде дополнительных четных гармоник. Возможно, дополнительные четные гармоники даже частично маскируют нечетные, которые могут возникнуть, например, в результате погрешностей при цифроаналоговом преобразовании сигнала с CD. Еще одним фактором, определяющим разницу между звучанием ламповой и транзисторной аппаратуры, является ограничение сигнала. Для транзисторного усилителя характерно жесткое ограничение. В результате «выбросы» громкости, которых много именно в сигнале с CD, сопровождаются хорошо слышимыми щелчками. В ламповом усилителе мягкое ограничение, которое не так заметно. 

    ИМИТАЦИЯ «ЛАМПОВОГО» ЗВУКА

    Возникает вопрос: если особенности «лампового» звука сводятся к добавлению новых компонентов в сигнал, неужели нельзя это как-то имитировать современными средствами? Действительно, это возможно. В некоторых профессиональных транзисторных усилителях для электрогитары имеются специальные цепи, имитирующие искажения, характерные для радиоламп. Для популярной компьютерной программы для воспроизведения музыки WinAmp используются плагины, обогащающие сигнал четными гармониками. Но применение компьютерной обработки сигнала или же специальных цепей на транзисторах дает пока более скромные результаты, чем прохождение сигнала через ламповый усилитель. Дело в том, что после обработки в цифровой форме сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь, который вносит потом свои искажения. Что касается цепей на транзисторах, то они могут обогащать сигнал четными гармониками, но при этом все равно добавят еще и нечетные. А ламповый усилитель доводит сигнал до нужной кондиции без «побочных эффектов».

    ПЕРСПЕКТИВЫ

    Станет ли нынешний интерес к ламповой технике кратковременным увлечением или же радиолампа вернулась всерьез и надолго? В аппаратуре высокого класса лампы будут использоваться достаточно долго. По крайней мере до тех пор, пока усилители, дающие «теплый» звук за счет комбинации транзисторов трех типов, не станут значительно дешевле. Но, даже если это случится, производители ламповой аппаратуры без работы не останутся. Ведь, покупая такую технику, люди платят не только за прекрасный звук, но и за приобщение к легенде.

Continue reading
594 Hits

Тайны лампового звука

Нужно ли строить ламповый усилитель? Конечно, хотя бы для того, чтобы узнать, что представляет собой этот знаменитый "ламповый звук". Кто не может построить сам, тот покупает в магазине или заказывает индивидуальный проект. Но все усилители звучат по-разному. Усилиями тысяч аудиофилов наметились пути построения ламповых усилителей, обладающих прекрасным звуком. Они не скрывают результатов своих экспериментов, издают журналы (например, "Вестник А.Р.А."), где публикуют удачные (и не очень!) схемные решения, упирая на редкостные, или весьма дорогие комплектующие и материалы. Гораздо меньше в этих изданиях уделяется внимания вопросам теории, больше "пускается пыль в глаза". Рекомендуется подбирать каждый элемент усилителя и слушать, слушать! И вот, очумевший от советов и прослушиваний, читатель уже бежит на рынок и ищет конденсаторы по 100 долларов за штуку или трансформатор за 500, рассчитывая с их помощью услышать знаменитый "ламповый звук".

    Предприимчивые люди начали производить на потребу жаждущих разнообразные ламповые усилители и КИТы (наборы деталей). Заводы, производящие электровакуумные приборы, снова выпускают прямонакальные триоды (2С4С, 6С4С, 300В и т.д.). Печатаются любопытные сообщения: члены "общества господина Сакумы" (Японские аудиофилы) игнорируют усилители, если их стоимость менее 10000$. Короче говоря, прочно утвердилось мнение, что "ламповый звук" — это хорошо! А за большие деньги — еще лучше!

    Как сравнивают усилители по звучанию? Разумеется, прослушивая музыкальные записи: грампластинки, CD, магнитофонные ленты. При этом приходится постоянно переключать несколько кабелей, что требует определенного времени. Учитывая краткосрочность музыкальной памяти, сравнение получается уже не таким надежным. Гораздо лучше подключить источник сигналов к входам обоих усилителей, а их выходы коммутировать на АС с помощью мощного переключателя.

    Блок-схема такого тракта прослушивания приведена на рис.1 (для простоты показан один канал).

Схема
Рис.1.

Здесь источник информации и громкоговорители — одни и те же для обоих усилителей. С помощью регуляторов RP1 и RP2 устанавливается одинаковая громкость звучания акустических систем (АС) при разных положениях переключателя SA1. Индикатор уровня PV1 может отсутствовать, но лучше, если он используется. Схема — простая и понятная.

    Однако если мы будем сравнивать усилители с разными выходными сопротивлениями, неизбежны ошибки в оценке усилителей. В чем тут дело? А дело в том, что АС, как правило, имеют частотнозависимое внутреннее сопротивление Z. На рис.2 показана примерная зависимость Z от частоты для двухполосной АС. Фазоинвертор на низких частотах имеет два пика вместо одного, но это сути дела не меняет. Если АС — трехполосная, то "горбов" на ха-рактеристеке Z(f) может быть больше. RE — сопротивление громкоговорителя на постоянном токе, оно приблизительно равно "номинальному" сопротивлению АС, т.е. Zном = (1,2...1,3)RE. Чаще всего используются АС с номинальным сопротивлением 4 или 8 Ом. Аудиофилы любят громкоговорители для кино с номинальным сопротивлением 12 и 16 Ом за их высокую отдачу. Горбы на характеристике Z=Z(f) могут в 2 и более раз превосходить Zном.

Примерная зависимость Z от частоты для двухполосной АС
Рис.2. Примерная зависимость Z от частоты для двухполосной АС

    Совершенно очевидно, что при разных выходных сопротивлениях усилителей Rвых и одинаковых ЭДС на их выходах, напряжение на АС будет разным, так как Rвых и Z образуют делитель напряжения. Если выходные сопротивления усилителей не одинаковы, а они ведь могут быть и частотно-зависимыми, то АС будут звучать по-разному. Особенно это заметно при сравнении ламповых усилителей без обратной связи [1] и транзисторных, имеющих, как правило, глубокую отрицательную обратную связь. В первом случае Rвых = 2...3 Ом, во втором — Rвых = 0,1...0,01 Ом.

    Ламповый усилитель будет подчеркивать те частоты, на которых Z возрастает. И действительно, НЧ и ВЧ у него звучат "лучше". Если частота раздела НЧ и ВЧ (fpaзд) в АС приходится на область 3 кГц, и на этой частоте имеется "горб", то лучше звучат струнные инструменты и голоса солистов. Напрашивается вывод, что частотная характеристика внутреннего сопротивления АС должна иметь как можно меньшую нелинейность, (в идеале — горизонтальная прямая), чтобы можно было сравнивать два разных усилителя.

    Искусственно увеличив Rвых для усилителя с малым внутренним сопротивлением, включив последовательный резистор Rд (рис.3), получим одинаковые условия работы АС.

Схема
Рис.3.

    Эти соображения были проверены на практике и полностью подтвердились. Сравнивались два стереофонических усилителя. Первый — ламповый, однотактный, на лампах 6Н23П и 2С4С, по схеме Loftin-White без ОС. Его основные параметры: Rвых ~ 3 Ом, Рвых ~ 3 Вт, ∆f = 12...40000 Гц. Выходные трансформаторы усилителя выполнены на сердечниках из стали типа 3409, S=15 см2, δ = 0,35 мм, l3 = 0,3 мм. Второй — транзисторный, с ООС, Rвых ~ 0,01 Ом, Рвых = 50 Вт, ∆f = 5...150000 Гц.

    Нужно сказать, что этот ламповый однотактник на лампе 2АЗ (2С4С) считается чуть ли не "образцовым" УМЗЧ в среде аудиофилов. Правда, они оговаривают еще и дополнительные условия (спецпровода, спецприпой и т.п.). Звук его действительно хорош: резкий фронт (атака), большая прозрачность. "Через него" прекрасно звучат струнные и ударные инструменты.

    Транзисторный усилитель был построен в соответствии с соображениями, изложенными автором в [2]. Время установления его переходной характеристики до погрешности 0,01% не превышает 10 мкс (на активном сопротивлении нагрузки).

    В экспериментах использовались трехполосные АС с паспортной мощностью 70 Вт. Фазоинвертор настроен на частоту 25 Гц, частотная характеристика Z приведена в таблице:

f, кГц  0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 4 6 8 15 20
Z, Ом  30 10 9 8 7 6 8 12 12 10 8

    Сравнение усилителей проводилось при Рвых = 3 Вт. АЧХ напряжения на клеммах АС при Rвых = 2...3 Ом приобретает подъем (до 3 дБ) на НЧ и ВЧ, в соответствии с ростом Z. Без Rд транзисторный усилитель звучит более "сухо", но как только включается Rд = 2,2 Ом, его звучание ничем (подчеркиваю — ничем!) не отличается от звучания лампового Loftin-White. Предлагаю желающим убедиться в этом самим.

    Поговорив о входном сопротивлении АС, перейдем к выходному сопротивлению усилителя. Как уже отмечалось, оно оказывает большое влияние на качество звучания. Поэтому посмотрим, как его измерить. Существует несколько способов, но мы остановимся на том, который определен в ГОСТе 23849-87 [3]. Этот метод основан на пропускании синусоидального тока через выходные клеммы усилителя и измерении падения напряжения на его выходном сопротивлении Zi (рис.4). Направление тока I на рисунке показано условно (от генератора в нагрузку). Данная схема не предназначена для измерения отрицательного Zi. Здесь R1 — активное сопротивление, равное номинальному сопротивлению нагрузки для данного УМЗЧ. Оно должно быть достаточной мощности, так как через него течет приличный ток (всего лишь в 3 раза меньший максимального). Падение напряжения на нем, измеряемое вольтметром PV2, должно быть на 10 дБ (в 3,16 раза) меньше номинального выходного напряжения усилителя. Генератор ЗЧ тоже должен быть достаточно мощным (например, Г3-109).

Схема измерений выходного сопротивления усилителя Zi
Рис.4. Схема измерений выходного сопротивления усилителя Zi

    В качестве усилителя для создания необходимого тока можно использовать второй канал стереоусилителя или любой другой УМЗЧ достаточной мощности. Если испытываемый усилитель имеет, например, Рном = 50 Вт, Zном = 4 Ом, то потребуется ток I = 1,1 А. Выходное сопротивление  

Zi = R1*U1/U2,

что полностью основано на законе Ома.

    Вход усилителя можно закоротить, но лучше вместо перемычки поставить резистор, номинал которого равен сопротивлению источника сигнала. Измерения Zi ведутся на частоте 1 кГц.

    Эта схема, при всей ее простоте, позволяет приоткрыть еще одну тайну "лампового звука". Вольтметр PV1 тогда нужно заменить чувствительным осциллографом, а частоту генератора ЗЧ менять от 20 Гц до 100 кГц.

    Для лампового однотактного усилителя без обратной связи, работающего в классе А, мы увидим напряжение U1 в виде чистой синусоиды во всей рабочей полосе частот. Усилители, работающие в классе АВ, тем более — в В, и охваченные обратной связью, могут сильно искажать форму синусоидального тока, протекающего через Zi. Это говорит о том, что Zi нелинейно.

    Для громадного большинства транзисторных усилителей это так. Причем на самых низких частотах напряжение U1 может быть синусоидальным, а по мере роста частоты оно искажается, и на частотах 20 кГц и более искажения могут быть очень большими, вплоть до удвоения частоты. А если измерить коэффициент гармоник такого усилителя по обычной методике, он может быть достаточно малым, например, всего 0,01%.

Источники

1. И.Пугачев. Ламповые монстры или бег во вчерашний день. — Радиомир, 2002, N4, с.З.

2. И.Пугачев. Украдет ли усилитель виртуальную глубину? — Радиолюбитель, 2000, N9, с.З

3. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей звуковой частоты.

Continue reading
622 Hits

COPYRIGHT 20013  NEXT SOUND