«Феномен транзисторного звучания».

 

Цитируем с небольшими сокращениями статью «Феномен транзисторного звучания» А. Пикерсгиль, И. Беспалов. «Радио» №  12, 1981:

 Примечание: Hi-End стерео усилители PAS-240 нашего производства обладают К.Н.И 0,003% (смотреть измерения), поэтому ни о каком «транзисторном» или «ламповом» окрашивании не может быть и речи, они перестают вмешиваться в передачу музыки и становятся ее проводником, передавая её в соответствии с замыслом исполнителя.


Из всего нижесказанного можно сделать следующие выводы:

  1. «Транзисторное» звучание не является обязательным свойством транзисторных усилителей НЧ; его природа, по-видимому, в несовершенстве этих усилителей.
  2. «Транзисторное» звучание исчезает при снижении коэффициента гармоник до 0,03…0,04% во всем рабочем диапазоне частот.
  3. При современной элементной базе указанный предел коэффициента гармоник достижим только при достаточной глубине общей ООС.»


  «Искушенные слушатели, музыканты, звукорежиссеры уже давно отмечают разницу в звучании транзисторных и ламповых усилителей НЧ, хотя по всем нормируемым параметрам первые обычно не хуже, а часто значительно лучше вторых. В зависимости от качества усилителей и, естественно, остальных элементов звуковоспроизводящего тракта „транзисторное“ звучание проявляется в виде искажения естественных тембров музыкальных инструментов, характерной «жесткости» и недостаточной «прозрачности» звука, специфического воспроизведения высокочастотных составляющих спектра усиливаемого сигнала, создающего ощущение, что они проходят через тракт с трудом.

Исследования, проведенные с целью выявления причин «транзисторного» звучания показали, что этот эффект у различных усилителей даже одного класса проявляется далеко не одинаково. Например, наиболее распространенные фабричные усилители НЧ высшего класса по степени проявления «транзисторного» звучания эксперты располагали обычно в следующем порядке: «Одиссей-001-стерео», «Радиотехника-020-стерео», «Бриг-001-стерео». Сравнение параметров этих устройств привело к заключению, что эффект «транзисторного» звучания, по-видимому, связан с уровнем нелинейных искажений, поскольку все остальные технические характеристики названных усилителей НЧ примерно одинаковы. Это предположение подтверждают и результаты исследований зарубежных специалистов [1, 2, 3], указывающих на существенное влияние нелинейности амплитудной характеристики, оцениваемой коэффициентом гармоник, на качество звучания. При этом отмечается особо неблагоприятное влияние не столько гармонических, сколько комбинационных составляющих, которые возникают именно из-за нелинейности амплитудной характеристики при одновременном усилении сигналов различных частот [4].

Авторами статьи были исследованы спектры выходных сигналов, близких по параметрам, лампового профессионального усилителя ЕА 057 (производства ВНР) и указанных выше транзисторных усилителей высшего класса. Для измерений использовался спектрометр 2112 датской фирмы «Брюль и Кьер». Комбинационные составляющие исследовались в соответствии с рекомендациями по измерению так называемых TIM-искажений (TranslentIntermodulationDistortion) при подаче на вход усилителя сигналов одинаковой амплитуды частотой 3,18 и 15 кГц, обеспечивающих выходную мощность, на 3 дБ меньшую номинальной. Результаты испытаний подтвердили известное положение, что гармонических составляющих в спектре сигнала транзисторных усилителей значительно больше (вплоть до 11-й гармоники), чем у ламповых (не более 5 гармоник), а это само по себе уже способно повлиять на субъективное восприятие звучания [5].

Более широким и, что не менее важно, более плотным оказался у транзисторных усилителей спектр комбинационных составляющих. Объясняется это появлением в спектре продуктов взаимодействия небольших по амплитуде высших гармоник с  «мощными» составляющих сигнала и низшими гармониками. Это отличия в спектрах гармонических и комбинационных составляющих и являются, на наш взгляд, причиной «транзисторного» звучания.

Из сказанного следует очевидный вывод о том, что нормы на коэффициент гармоник, установленные для ламповых усилителей, нельзя применять к транзисторным усилителям – у последних он должен быть значительно меньше. Учитывая трудность направленного воздействия на ширину спектра гармонических составляющих, единственным методом борьбы с  «транзисторным» звучанием в настоящее время следует, по-видимому, считать снижение коэффициента гармоник до такого значения, при котором влияние спектрального состава искаженного сигнала субъективно не воспринимается. При этом, естественно, необходима и методика оценки нелинейных искажений, позволяющая однозначно определить предел, ниже которого «транзисторное звучание» не проявляется.

Упомянутый выше метод оценки качества усилителей с помощью TIM-искажений, не отличающийся, по сути, от хорошо известного многотонального (спектрального) метода, вряд ли можно считать приемлемым в широкой практике, так как он требует нового комплекса измерительной аппаратуры и, главное, способа однозначного сопоставления результатов с полученными при испытаниях обычным однотональным методом. К тому же, как показано в [6], однотональный метод вполне применим для оценки нелинейности любой системы при отсутствии спада АЧХ за пределами рабочего диапазона частот, что в высококачественных усилителях легко осуществимо. Иными словами, причин, по которым нельзя пользоваться однотональным методом, на наш взгляд, нет, и результаты измерений, приводимые ниже, получены именно этим методом.

Из-за свойственной транзисторам нелинейности построить на них высококачественный усилитель без принятия специальных мер по снижению нелинейных искажений принципиально невозможно. Наибольший эффект дает, как известно, глубокая ООС, поэтому рекомендации по ограничению ее глубины при отсутствии других действенных мер, направленных на уменьшение искажений, нам представляются неприемлемыми. Во избежание неприятностей, с которыми сталкиваются разработчики при использовании глубоких общих ООС [6, 7], целесообразно уменьшать число усилительных каскадов, применять компенсационные устройства для подавления четных гармоник в отдельных каскадах, вводить местные ООС.

 

Усилитель

(условный номер)

Номинальный диапазон частот, Гц

Коэффициент гармоник, %, на частоте, Гц

1000

20 000

В. Маршалла Лича  (№ 1)

20…20 000

0,04

0,04

«Бриг-001-стерео» (№ 2)

20…25 000

0,1

0,3

ЕА 057 (№ 3)

20…20 000

0,5

1,5

Трансформаторный ламповый (№ 4)

20…25 000

0,07

0,15

Бестранформаторный ламповый (№ 5)

10…50 000

0,05

0,08


Близкие к рассмотренным принципы были положены в основу усилителя мощности, разработанного и собранного В. Маршаллом Личем [8]. Этот усилитель субъективно сравнивался по качеству работы с усилителями мощности трех ламповых и одного транзисторного усилителей, параметры которых приведены в таблице.

При испытаниях усилители включались по структурной схеме, показанной на рис.1. Здесь U1 – студийный магнитофон. Z1 – многополосный регулятор тембра (эквалайзер), А1 и А2 – сравниваемые по качеству звучания усилители. Чтобы не нарушить чистоту эксперимента наличием элементов частотного разделения, которые, как известно, вносят фазовые искажения, способные повлиять на качество звучания стереофонических фонограмм, были использованы однополосные громкоговорители на основе динамических головок «Аксиом-301» фирмы «Гудменс», отличающиеся весьма малыми нелинейными искажениями в диапазоне частот 30-16 000 Гц. Источниками программ служили фонограммы, записанные на студийном оборудовании на ленте А4615-6Р при скорости 38,1 см/с, и высококачественные грампластинки, воспроизводимые головкой звукоснимателя MS-30 фирмы «Ортофон», установленной в проигрывателе XL-15550 фирмы «Пионер». Для исключения перегрузки уровень сигнала на входах усилителей подбирался таким, чтобы при пиках сигнала выходная мощность всегда была на 3дБ меньше номинальной.


Рис. 3.

В ходе прослушивания установлено явное превосходство усилителя №  1 над усилителями №  2 и 3 в чистоте и прозрачности передачи составляющих высших частот. Кроме того, для получения примерно одинаково сбалансированного (по тембру) звучания при работе усилителя №   1 частотная характеристика эквалайзера устанавливалась горизонтальной, а при работе усилителя №   2 требовался подъем на + 10 дБ в интервале частот от 1 до 16 кГц. Усилитель №  3 уступал по качеству звучания всем остальным.

Что касается ламповых усилителей №  4 и 5, то эксперты пришли к единому мнению: не был установлен лучший из них и, что самое главное, не было отмечено их превосходство над транзиторным усилителем №  1. В связи с этим было проведено дополнительное испытание усилителя №  1 на отсутствие «транзисторного» звучания, для чего он включался в тракт двухполосного лампового звуковоспроизводящего комплекса глубокой ЭМОС в обоих каналах и полосой пропускания по звуковому давлению 16…25 000 Гц. Структурная схема включения показана на рис.2. Нагрузка испытуемого усилителя А2 была составлена из резисторов R1 и R2, сопротивления которых подобраны из условия получения коэффициента передачи, равного 1.

В результате проверки были установлено, что включение усилителя №  1 в высококачественный звуковоспроизводящий тракт не приводит к каким-либо «транзисторным» искажениям разнообразных музыкальных программ. С другой стороны, измерения показали, что почти все технические характеристики этого усилителя такие же, как и усилителя №  2, однако его коэффициент гармоник не превышает 0,04% в полосе частот 20…20 000 Гц. Это значение коэффициента в указанной полосе частот является, видимо, тем порогом, за которым исчезает «транзисторное» звучание. Кстати, столь низкий коэффициент гармоник однозначно характеризует высокое качество усилителя НЧ независимо от того, ламповый он или транзисторный.

На основании изложенных выше основных принципов конструирования высококачественной низкочастотной аппаратуры Ю.Н. Митрофановым был разработан усилитель мощности, схема которого показана на рис.3. Основные технические характеристики усилителя следующие:

Номинальный диапазон частот, Гц:…………………………… 20…30 000

Номинальная выходная мощность, Вт, при 4 Ом, коэффициент гармоник не более 0,02%, номинальный диапазон частот:……………… 60

Максимальная выходная мощность, Вт…………………………….80

Чувствительность, В……………………………………………………………0,7

Относительный уровень шумов, дБ…………………………………- 90

Предварительный усилитель описываемого устройства состоит из эмиттерного повторителя на транзисторе VI и симметричного двухтактного каскада на транзисторах разной структуры V2 и V3 с местными ООС по постоянному току (резисторы R11,R12 в эмиттерных цепях). Напряжение общей ООС подается из коллекторной цепи транзисторов V2, V3 в цепь базы транзистора VI через делитель, составленный из резисторов R1 – R3. Коэффициент усиления предварительного усилителя без этой ООС равен 100, коэффициент гармоник при максимальном сигнале в номинальном диапазоне частот – 0,15%, введение ООС уменьшает их соответственно до 5,5 и 0,01%. Симметрирование усилителя осуществляется подстроечным резистором R8.

Предоконечный каскад (V4 – V5) аналогичен по структуре предварительному усилителю. Его коэффициент усиления без ООС также равен 100, коэффициент гармоник – 0,1…0,15%, что достигнуто применением комплементарной пары транзисторов КТ814В, КТ815В (без какого-либо подбора). Эмиттерный повторитель (V4) в этом каскаде служит для повышения эффективности параллельной ООС, введенной с помощью делителя из резисторов R14, R15, R20. Граничная частота каскада (первый излом его АЧХ) определяется емкостью коллекторных переходов транзисторов V5, V6, а также конденсатора С13 и составляет в данном случае примерно 35кГц. Цепь коррекции по опережению R16С8 сдвигает второй излом АЧХ на частоту 2 МГц.

Оконечный каскад (V8 – V13) аналогичен по схеме выходному каскаду усилителя «Бриг-001-стерео». Для повышения эффективности местные ООС введены в плечи каскада с помощью низкоомных делителей напряжения, составленных из резисторов R38, R39, R40 – R42, R44. Как и в предоконечном, в этом каскаде также применены транзисторы без предварительного подбора. На высоких частотах каскад симметрируют изменением коэффициента передачи одного из делителей (подстрочным резистором R44) по минимуму четных гармоник при максимальной выходной мощности. Коэффициент гармоник каскада без ООС во всем диапазоне частот составляет 0,5…0,75, коэффициент усиления – 2,7.

Ток покоя транзисторов V12, V13 (100мА) устанавливают подстроечным резистором R30, отсутствия постоянного напряжения на нагрузке добиваются резистором R24.

С общей ООС, охватывающей предоконечный и оконечный каскады, коэффициент гармоник всего усилителя при максимальной мощности во всем диапазоне частот не превосходит 0,02% (измерения проводились методом компенсации испытательного сигнала; порог чувствительности составлял 0,005%). При отключении фильтра нижних частот R14С6 верхняя граница так называемой малосигнальной полосы (определяется при подаче на вход напряжения, равного, 0,1 от номинального) простирается от 1,8 МГц.

Сравнительные субъективные испытания описанного усилителя и усилителей №  1, 2 и 4, о которых речь шла выше, позволили сделать вывод о его преимуществе в передаче высших звуковых частот.



Литература.

  1. M. Otula. TranslentIntermodulationDistortion in Commercial Audio Amplifiers. – «Journal of the Audio Engineering Society», 1974, May.
  2. W. Marshall Leach. TranslentIMDistortion in Power Amplifiers. – «Audio», 1975, February.
  3. P. J. Baxandell. Audio Power Amplifier Design. – «Wireless World», 1978, January.
  4. Вольф. В. М. Об интенсивности гармонических и комбинационных составляющих при нелинейных искажениях колебаний сложной формы, —» Акустический журнал», 1955, т. 1, вып.4.
  5. Раковский В. В. измерения в аппаратуре записи звука кинофильмов. М., «Искусство», 1962.
  6. Зуев П. О динамических искажениях в транзисторных усилителях низкой частоты. – «Радио», 1978, №                  8. с. 33 – 35.
  7. Майоров А. Динамические искажения в транзисторных усилителях низкой частоты. – «Радио», 1976. №                  4, с. 41 – 42.
  8. W. Marshall Leach.Build a Low TIM Amplifiers.– «Audio», 1976, February.

17.10.2011, 33319 просмотров.

Тесты продукции

«Покажите мне график зависимости коэффициента искажений от частоты, и я скажу, как будет звучать усилитель».

Владимир Ламм — основатель и идеолог компании Lamm Industries