Тепловые искажения в усилителях HiFi

Когда несколько десятилетий назад началась разработка усилителей HiFi, электроника как наука была развита еще очень слабо. Однако, несмотря на это, результаты были очень даже неплохими (на сегодняшний взгляд). За истекшие 30...40 лет был пролит свет на многие более или менее существенные вопросы, но результаты этого развития никак (или почти никак) не сказались на технике HiFi. Интересующиеся данной областью читатели с большим изумлением следят за тем, что в технике HiFi нет никакого прогресса, и даже наоборот, наблюдаются порою отступления назад (например цифровое,ТВ с его специфическим качеством звука). Прошло уже несколько десятилетий с момента первой высадки на Луну, а звукотехника все еще остается где-то в эпохе "лошадиных повозок".

Давайте познакомимся с такими физическими явлениями, о которых редко идет речь даже в специальной литературе, посвященной HiFi. А между тем, в действительности это и есть то самое "колумбово яйцо"... Известно, что предусилители, оконечные усилители HiFi и другие звуко-технические устройства проходят двойной контроль. С одной стороны, специалисты по электронике и акустике подвергают жесткому контролю с помощью измерительных приборов любое устройство как в процессе его сборки, так и в собранном виде. С другой стороны, характеристику каждому усилителю дают также и люди с хорошим слухом - не обязательно специалисты (это могут быть, например, музыканты или меломаны). Прослушивая без всяких приборов звучание музыки, они относят усилитель к тому или иному классу. Своеобразие возникающей ситуации в том, что на практике результаты этих двух проверок очень часто противоречат друг другу. Бывает, что вопреки хорошим результатам измерений, качество звучания на слух кажется не очень хорошим, и наоборот. Например несколько десятилетий назад автор построил первый свой полупроводниковый усилитель HiFi, имевший очень хорошие характеристики, полученные по существовавшим в то время методикам измерений. Но усилитель имел такое убийственно "свежее" звучание, что жаль было потраченного времени и работы, и я еще долгое время потом наслаждался красивым звучанием усилителя на электронных лампах.

В течение последних лет специалисты разрабатывают все новые и новые процедуры электрического тестирования, на свет появляются усилители со все более высокими электрическими характеристиками, а качество звучания, определяемое прослушиванием, по-прежнему оставляет желать лучшего. Специалистов (теперь уже и непрофессионалов) особенно раздражает то, что отнесенный по электрическим характеристикам к высокому классу прибор при использовании его в качестве усилителя дает неприятный (иногда невыносимый) звук. Многие из числа моих друзей, увлеченных электроникой и знакомых с HiFi, после оживленных дискуссий начали лихорадочно переконструировать измерительные приборы, разрабатывать новые, изобретать хитроумные способы измерений, потратив на это месяцы и злясь затем, что всё это не приводит к по-настоящему убедительным результатам. Электрические характеристики и оценки в результате прослушивания очень редко коррелируют друг с другом..

То, что где-то между известными вещами может оказаться запрятанной какая-нибудь "гадость", автор впервые заметил тогда, когда, модифицировав метод измерений интермодуляционных искажений с помощью двух сигналов, подал (чисто случайно) на проверяемый усилитель еще и третий (какой оказался под руками - медленный сигнал частотой около 0,1 Гц, примерно треугольный формы). Результат, контролировавшийся осциллографом, получился весьма своеобразным. До сих пор вполне прилично сдававший "экзамен" усилитель, теперь в определенные моменты времени начал вносить разнообразные грубые искажения, несомненно связанные с наличием третьего сигнала. И при этом усилитель во время проверки несомненно находился в номинальном режиме, гораздо ниже предела перегрузки. Характер искажений был довольно причудливым и капризным: в некоторые моменты времени они имели вид "амплитудного обрезания", давая то вторую, то третью гармонику. С помощью осциллографа наблюдать весь "репертуар" было трудно, невозможно было точно оценить эти искажения. и непонятно было, что с ''этим" делать. При изменении частоты медленного сигнала в диапазоне инфразвука характер и величина искажений несколько менялись. У усилителя другого типа, который сразу же, "по горячим следам", был" подвергнут таким же испытаниям, аналогичные искажения были меньше. Несмотря на достаточно хорошие результаты измерений (анализ спектра показал меньше 6,1% гармонических искажений), оба усилителя на слух воспринимались одинаково плохо. Автор уже давно отнес усилители к категории устройств, "опасных для нервной системы". А вся серия измерений была предпринята из-за того, что стандартно измеряемые параметры выглядели трафаретно и досадно красиво, чего не скажешь о результатах прослушивания. Все это казалось алогичным и непостижимым. Поскольку не было возможности оценить обнаруженные искажения, измерения были прерваны, хотя во время обсуждения проблемы со знакомыми были с успехом проверены некоторые превосходные гипотезы. И только через несколько лет проблема случайно нашла свое решение.

Исходить нужно из того, что большинство электрических методов измерений и прослушивание отличаются друг от друга в одном, кажущемся несущественным, но очень важном моменте. Как происходят измерения? Мы сначала подаем на вход усилителя сигналы от какого-либо генератора и только потом контролируем выходной сигнал. Весь метод измерения сам по себе представляет стационарный процесс: сигнал уже достаточно долго был в усилителе, прежде чем был подвергнут точному анализу. Процесс измерений достаточно длителен (например занимает несколько секунд или даже минут), а его результаты относятся к установившемуся состоянию и характеризуют непрерывное наличие стандартного, хорошо определенного измерительного сигнала на входе. Что же происходит при прослушивании, и в чем здесь различие?

Музыкальный входной сигнал, производимый, например, скрипачом, хаотично проводящим смычком по струнам скрипки, или гитаристом, свирепо дергающим струны гитары, или барабанщиком, отчаянно колотящим в барабан, или вдохновенно поющим певцом, может быть похож на что угодно, но только не на стандартный сигнал в 1 кГц. Он (входной сигнал) меняется псевдослучайным образом по амплитуде, частоте, спектральному составу и стереохарактеристикам. А уши и мозг превосходно анализируют акустическое качество такого сигнала и непогрешимо оценивают впечатления от появившихся помимо (вместо) исходной звуковой мелодии дополнительных звуковых сигналов.. Мы хорошо чувствуем, что звучит музыка, но звучит еще и "что-то такое"; что хотя и как-то связано с этой музыкой, но не имеет к ней никакого отношения. Все системы передачи звука вносят те или иные искажения. И это относится не только к какой-либо "крикливой" музыке с ее широким спектром, но и к узкополосной речи, например к какой-либо лекции,на "деревянном" языке. Главный вопрос в том, как измерять эти искажения и как классифицировать усилители. Опыт прошлых лет показывает, что проводившийся до сих пор контроль был недостаточно корректен и не давал надежной точки опоры для такой классификации. В промышленной электронике (измерительной технике, технике автоматического регулирования и управления, приборостроении) профессионалами было накоплено огромное число наблюдений, разработаны и получили широкое применение методы измерений, которые (из-за их большой стоимости и узкоспециального характера) может освоить и использовать только небольшая группа специалистов. Если бы и в разработку техники HiFi можно было вложить столько же средств и интеллектуальной энергии, то, без сомнения, мы не находились бы там, где сейчас находимся. То, что до сих пор недостаточно контролировалось специалистами по акустике и электронике - это довольно быстрые тепловые изменения режимов и вызываемые ими иногда очень существенные переходные искажения. Эти искажения не обнаруживаются ни одним из существующих теперь методов измерений, поскольку, все они, по существу, носят стационарный характер. Эти искажения можно было бы уловить только с помощью динамического тестового сигнала и быстродействующего измерителя искажений (анализатора спектра).

Большинству читателей, конечно же, известие, что при изменении внешней температуры и температуры полупроводникового кристалла изменяется все множество параметров полупроводника: А потому едва ли можно получить улучшение звукотехнических параметров, не учитывая тепловых процессов. И все это настолько просто, что, вероятно, именно поэтому и упускалось до сих пор из виду.

И только тут мы начинаем осознавать, почему усилители на электронных лампах имеют гораздо меньшие искажения. Ведь катод электронной лампы или другие важные ее детали гораздо массивнее "лапок" полупроводниковых устройств. Поэтому возможные тепловые постоянные времени в лампах гораздо больше, и тепловыми явлениями можно, в принципе, пренебречь. Нормальная электронная лампа с косвенным накалом почти не реагирует на "юркий" звукочастотный сигнал. Только при случайном совпадении многих обстоятельств может проявиться какой-либо медленный тепловой эффект. Отметим еще как дополнительный аргумент, что величины сигналов в ламповом усилителе заметно больше, чем в полупроводниковых схемах. Кроме того, каскады на электронных лампах почти всегда работают в условиях, близких к согласованию по мощности. Это же обстоятельство объясняет, почему полупроводниковые оконечные усилители класса "А" имеют в среднем лучшее качество при прослушивании. Такие усилительные каскады используются в большинстве своем в условиях согласования по мощности, так что тепловые искажения будут меньше.

Возникает вопрос: что можно сделать, чтобы уменьшить тепловые искажения в уже готовом усилителе? Конечно, конкретные рецепты можно дать только для конкретной схемы. Естественно, рекомендуется прежде всего внимательно изучить данный усилитель - нет ли в нем определенно слабых мест с тепловой точки зрения. Не учитывая другие аспекты, можно сказать, что в маломощном усилителе (предусилителе) наиболее благоприятны с тепловой точки зрения каскады, работающие с сигналом малого уровня (по отношению к напряжению питания), или, что почти то же самое, каскады с большим напряжением питания.

Возникающий в этом случае тепловой сигнал помех относительно мал. Поэтому нужно стремиться использовать в предкаскадах как можно большее напряжение питания. В классических же правилах проектирования усилителей рекомендуется обратное. Вовсе не исключено, что при использовании хорошо спроектированного, усилителя с другим (например меньшим) напряжением питания, в новой рабочей точке появятся или же существенно возрастут бывшие ранее минимальными тепловые помехи.

Очень важно настроить каскады на правильное согласование по мощности. В состоянии покоя напряжение на данном транзисторе должно быть примерно равно напряжению на коллекторном (или эмиттерном) агрузочном резисторе. Возможно, что для соблюдения этого условия придется основательно "повозиться" с усилителем. Где возможно, необходимо использовать симметричные каскады, неизменно выдерживая принцип правильного согласования по мощности. Если в усилителе следуют друг за другом много симметричных каскадов, необходимо стремиться создавать препятствия на пути распространения сигнала помех, т.е. необходимо использовать каскады с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Помешать возникновению сигнала помех, к сожалению, невозможно (даже с помощью правильного согласования мощностей), можно только помешать его дальнейшему распространению. В частности, это можно сделать, используя большое эмиттерное сопротивление (по сравнению с коллекторным), например, эмиттерный генератор тока. Обычно включение в усилитель каждого нового каскада приводит к увеличению тепловых искажений. Поэтому нет никаких гарантий, что пред- или оконечный усилитель, собранный по сложной схеме "собственного изобретения", даст результат лучше, чем исходный простой усилитель. Может возникнуть мысль как-либо использовать тепловую компенсацию; однако из-за того что неизвестны постоянные времени, мы оказываемся здесь "на довольно болотистом месте". Тем не менее, имеет смысл поэкспериментировать с полупроводниками разных типов, используя их в качестве компенсирующих элементов.

В случае устройств на интегральных схемах (операционные усилители, оконечные каскады на ИМС) поступают так же как и ранее: по возможности исключаются все известные источники помех, и путем прослушивания выносится решение - пригоден ли этот образец (изделие), или же нет. И пока нет других методов, кроме прослушивания, которые приводили бы к той же цели. Хочу высказать следующие соображения, которые могут служить исходной точкой для дальнейших размышлений, но не должны восприниматься буквально. Прежде чем приступить к переделкам, необходимо внимательно изучить схему данного конкретного усилителя и оценить его возможности. Обычно легко установить, что в большинстве популярных схем предусилителей и оконечных усилителей имеется каскад (или каскады), построенные достаточно плохо с тепловой точки зрения. Предпринимаемые улучшения должны не только учитывать принципы функционирования данной схемы, но и тип используемых полупроводниковых устройств. Например, в плохо построенном каскаде тепловая предельная частота будет выше, а возникающие искажения меньше при использовании транзисторов небольших размеров, типа SM. Использование деталей разных типов является, вероятно, одной из основных причин того, что усилители, рассчитанные по одинаковой методике, имеющие одинаковые схемы и практически одинаковые конструкции, при прослушивании дают все же разные результаты. Беда в том, что многие фирмы изготовляют полупроводники какого-либо типа не обязательно по одной и той же технологии. Более того, технология иногда меняется, в то время как марка полупроводника остается неизменной, и даже корпус, на первый взгляд, тот же. Предпринятые автором некоторые переделки усилителей и серия измерений уже дали первые, внушающие надежду результаты. После переделки усилителя с соблюдением сформулированных выше правил, переходные процессы "необъяснимого" происхождения снижаются (с большой вероятностью) до благоприятно низкого уровня, так что они или не регистрируются, или же обнаруживаются с трудом. Расчеты показывают, что можно ожидать уменьшения такого рода переходных искажений примерно на порядок. Можно ликвидировать или значительно снизить странное изменение качества звучания после прекращения или значительного уменьшения сильного входного сигнала. Не появляются (по крайней мере, не различимы или почти не различимы на слух) иногда встречающиеся "загадочные" перекрестные искажения некоторых музыкальных мелодий. Еще раз нужно подчеркнуть, что речь здесь идет не о тех искажениях в усилителе, которые контролируются традиционными методами измерений. Напротив, речь идет о тех случаях, где эти методы терпят крах (не обнаруживают заметных искажений), а качество звучания все же неудовлетворительное. Конечно, с помощью хитроумных (например дифференциальных) способов можно было бы все же измерить тепловые изменения параметров усилителя. Однако здесь, опять же, возникает проблема оценок ошибок измерений, возникающих по похожим причинам у используемых измерительных приборов. И все равно, исправленный "на слух" усилитель будет иметь более высокую категорию. Естественно, переконструирование и экспериментирование - работа не для новичков. Необходимы осторожность, аккуратность и воображение. Могут встретиться другие побочные эффекты (например ультравозбуждение и т.п.), которые больше ухудшают. чем улучшают положение. Автор не пытается скрыть того, что цель этой статьи, в первую очередь, пробудить мысль читателей, заставить взглянуть на "вечнозеленую" проблему искажений под новым углом.

Radiotechnika Evkonyve, 1998.

Перевод А.Бельского.

(РЛ 5-99)