(О СНИЖЕНИИ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ И ПРИЗВУКОВ В ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯХ)

Разницу в звучании громкоговорителей при работе с различными УМЗЧ, в первую очередь, замечают, сравнивая ламповые и транзисторные усилители: спектр их гармонических искажений часто существенно отличается. Иногда заметные отличия бывают и среди усилителей одной и той же группы. Например, в одном из аудиожурналов оценки, данные ламповым УМЗЧ мощностью 12 и 50 Вт, склонялись в пользу менее мощного. Или оценка была необъективной?

Как нам кажется, автор статьи доказательно объясняет одну из мистических причин возникновения в громкоговорителях переходных и интермодуляционных искажений, создающих заметную разницу в звучании при работе с различными УМЗЧ. Он предлагает также доступные методы существенного снижения искажений громкоговорителей, которые достаточно просто реализуются с применением современной элементной базы.

В настоящее время считается общепризнанным, что одним из требований к усилителю мощности является обеспечение неизменности его выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Иными словами, выходное сопротивление УМЗЧ должно быть невелико по сравнению с нагрузочным, составляя не более 1/10,1/1000 от модуля сопротивления (импеданса) нагрузки |Z н |. Эта точка зрения отражена в многочисленных стандартах и рекомендациях, а также в литературе. Специально введен даже такой параметр, как коэффициент демпфирования - K d (или демпинг-фактор), равный отношению номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя R вых УМ. Так, при номинальном сопротивлении нагрузки, равном 4 Ом, и выходном сопротивлении усилителя 0,05 Ом K d будет равен 80. Действующие ныне стандарты на аппаратуру HiFi требуют, чтобы значение коэффициента демпфирования у высококачественных усилителей было бы не менее 20 (а рекомендуется - не менее 100). Для большинства транзисторных усилителей, имеющихся в продаже, K d превышает 200.
Доводы в пользу малого R вых УМ (и соответственно высокого K d) общеизвестны: это обеспечение взаимозаменяемости усилителей и акустических систем, получение эффективного и предсказуемого демпфирования основного (низкочастотного) резонанса громкоговорителя, а также удобство измерения и сопоставления характеристик усилителей. Однако, несмотря на правомерность и обоснованность вышеприведенных соображений, вывод о необходимости такого соотношения, по мнению автора, принципиально ошибочен !

Всё дело в том, что этот вывод делается без учета физики работы электродинамических головок громкоговорителей (ГГ). Подавляющее большинство разработчиков усилителей искренне полагает, что всё, что от них требуется - это выдать напряжение требуемой величины на заданном сопротивлении нагрузки с возможно меньшими искажениями. Разработчики громкоговорителей, в свою очередь, вроде бы должны исходить из того, что их изделия будут питаться от усилителей с пренебрежимо малым выходным сопротивлением. Казалось бы, все просто и ясно - какие тут могут быть вопросы?

Тем не менее, вопросы, и очень серьёзные, имеются. Главным из них является вопрос о величине интермодуляционных искажений , вносимых ГГ при работе ее от усилителя с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением (источника напряжения или источника ЭДС).

«Какое отношение к этому может иметь выходное сопротивление усилителя? Не морочьте мне голову!» - скажет читатель. - И ошибётся. Имеет, и самое прямое, несмотря на то, что факт этой зависимости упоминается крайне редко. Во всяком случае, не обнаружено современных работ, в которых бы рассматривалось это влияние на все параметры сквозного электроакустического тракта - от напряжения на входе усилителя до звуковых колебаний. При рассмотрении этой темы ранее почему-то ограничивались анализом поведения ГГ вблизи основного резонанса на нижних частотах, тогда как не менее интересное происходит на заметно более высоких частотах - на пару октав выше резонансной частоты.

Для восполнения этого пробела и предназначена эта статья. Надо сказать, что для повышения доступности изложение весьма упрощено и схематизировано, поэтому ряд «тонких» вопросов остался нерассмотренным. Итак, чтобы понять, как выходное сопротивление УМЗЧ влияет на интермодуляционные искажения в громкоговорителях, надо вспомнить, какова физика излучения звука диффузором ГГ.

Ниже частоты основного резонанса при подаче синусоидального напряжения сигнала на обмотку звуковой катушки ГГ амплитуда смещения её диффузора определяется упругим противодействием подвеса (или сжимаемого в закрытом ящике воздуха) и почти не зависит от частоты сигнала. Работа ГГ в этом режиме характеризуется большими искажениями и очень низкой отдачей полезного акустического сигнала (очень низким КПД).

На частоте основного резонанса масса диффузора вместе с колеблющейся массой воздуха и упругостью подвеса образуют колебательную систему, аналогичную грузику на пружинке. КПД излучения в этой области частот близок к максимальному для данной ГГ.

Выше частоты основного резонанса силы инерции диффузора вместе с колеблющейся массой воздуха оказываются большими, чем силы упругости подвеса, поэтому смещение диффузора оказывается обратно пропорциональным квадрату частоты. Однако ускорение диффузора при этом теоретически не зависит от частоты, что и обеспечивает равномерность АЧХ по звуковому давлению. Следовательно, для обеспечения равномерности АЧХ ГГ на частотах выше частоты основного резонанса к диффузору со стороны звуковой катушки необходимо прикладывать силу постоянной амплитуды, как это следует из второго закона Ньютона (F=m*a).

Сила же, действующая на диффузор со стороны звуковой катушки, пропорциональна току в ней. При подключении ГГ к источнику напряжения U ток I в звуковой катушке на каждой частоте определяется из закона Ома I(f)=U/Z г (f), где Z г (f) - зависящее от частоты комплексное сопротивление звуковой катушки. Оно определяется преимущественно тремя величинами: активным сопротивлением звуковой катушки R г (измеряемым омметром), индуктивностью L г. На ток влияет также и противо-ЭДС, возникающая при перемещении звуковой катушки в магнитном поле и пропорциональная скорости перемещения.

На частотах заметно выше основного резонанса величиной противо-ЭДС можно пренебречь, поскольку диффузор со звуковой катушкой просто не успевают разогнаться за половину периода частоты сигнала. Поэтому зависимость Z г (f) выше частоты основного резонанса определяется в основном величинами R г и L г

Так вот, ни сопротивление R г, ни индуктивность L г особым постоянством не отличаются. Сопротивление звуковой катушки сильно зависит от температуры (ТКС меди около +0,35%/ о С), а температура звуковой катушки малогабаритных среднечастотных ГГ при нормальной работе изменяется на величину в 30...50 о С и причем весьма быстро - за десятки миллисекунд и менее. Соответственно, сопротивление звуковой катушки, а следовательно, и ток через неё, и звуковое давление при неизменном приложенном напряжении изменяются на 10...15%, создавая интермодуляционные искажения соответствующей величины (в низкочастотных ГГ, тепловая инерционность которых велика, разогрев звуковой катушки вызывает эффект тепловой компрессии сигнала).

Изменения индуктивности ещё более сложны. Амплитуда и фаза тока через звуковую катушку на частотах заметно выше резонансной в значительной мере определяются величиной индуктивности. А она очень сильно зависит от положения звуковой катушки в зазоре: при нормальной амплитуде смещения для частот, лишь немногим больших, нежели частота основного резонанса, индуктивность изменяется на 15...40% у различных ГГ. Соответственно при номинальной мощности, подводимой к громкоговорителю, интермодуляционные искажения могут достигать 10...25%.

Сказанное выше иллюстрируется фотографией осциллограмм звукового давления, снятых на одной из лучших отечественных среднечастотных ГГ - 5ГДШ-5-4. Структурная схема измерительной установки приведена на рисунке.

В качестве источника двухтонального сигнала применены пара генераторов и два усилителя, между выходами которых подключена испытуемая ГГ, установленная на акустическом экране площадью около 1 м 2 . Два отдельных усилителя с большим запасом по мощности (400 Вт) использованы с целью избежать образования интермодуляционных искажений при прохождении двухтонового сигнала через усилительный тракт. Звуковое давление, развиваемое головкой, воспринималось ленточным электродинамическим микрофоном, нелинейные искажения которого составляют величину менее -66дБ при уровне звукового давления 130 дБ. Звуковое давление такого громкоговорителя в этом эксперименте составляло примерно 96 дБ, та что искажениями микрофона при данных условиях можно было пренебречь.

Как видно на осциллограммах на экране верхнего осциллографа (верхняя - без фильтрации, нижняя - после фильтрации ФВЧ), модуляция сигнала с частотой 4 кГц под воздействием другого с частотой 300 Гц (при мощности на головке 2,5 Вт) превышает 20%. Это соответствует величине интермодуляционных искажений около 15%. Думается, нет нужды напоминать о том, что порог заметности продуктов интермодуляционных искажений лежит намного ниже одного процента, достигая в ряде случаев сотых долей процента. Понятно, что искажения УМЗЧ, если только они имеют «мягкий» характер, и не превышают нескольких сотых процента, просто неразличимы на фоне искажений в громкоговорителе, вызванных его работой от источника напряжения. Интермодуляционные продукты искажений разрушают прозрачность и детальность звучания - получается «каша», в которой отдельные инструменты и голоса слышны лишь изредка. Этот тип звучания наверняка хорошо знаком читателям (хорошим тестом на искажения может служить фонограмма детского хора).

Знатоки могут возразить, что для уменьшения непостоянства импеданса звуковой катушки существует множество способов: это и заполнение зазора охлаждающей магнитной жидкостью, и установка медных колпачков на керны магнитной системы, и тщательный подбор профиля керна и плотности намотки катушки, а также многое другое. Однако все эти методы, во-первых, не решают проблему в принципе, а во-вторых, ведут к усложнению и удорожанию производства ГГ, вследствие чего не находят полного применения даже в студийных громкоговорителях. Именно поэтому большинство среднечастотных и низкочастотных ГГ не имеет ни медных колпачков, ни магнитной жидкости (в таких ГГ при работе на полной мощности жидкость нередко выбрасывается из зазора).

Следовательно, питание ГГ от высокоомного источника сигнала (в пределе - от источника тока) является полезным и целесообразным способом снижения их интермодуляционных искажений, особенно при построении многополосных активных акустических систем. Демпфирование основного резонанса при этом приходится выполнять чисто акустическим путем, поскольку собственная акустическая добротность среднечастотных ГГ, как правило, значительно превышает единицу, достигая 4...8.

Любопытно, что именно такой режим «токового» питания ГГ имеет место в ламповых УМЗЧ с пентодным или тетродным выходом при неглубокой (менее 10 дБ) ООС, особенно при наличии местной ООС по току в виде сопротивления в цепи катода.

В процессе налаживания такого усилителя его искажения без общей ООС обычно оказываются в пределах 2,5% и уверенно заметны на слух при включении в разрыв контрольного тракта (метод сравнения с «прямым проводом»). Однако после подключения усилителя к громкоговорителю обнаруживается, что по мере увеличения глубины обратной связи звучание сначала улучшается, а затем происходит потеря его детальности и прозрачности. Особенно четко это заметно в многополосном усилителе, выходные каскады которого работают непосредственно на соответствующие головки громкоговорителей без каких-либо фильтров.

Причина этого, на первый взгляд, парадоксального явления в том, что при увеличении глубины ООС по напряжению выходное сопротивление усилителя резко снижается. Негативные последствия питания ГГ от УМЗЧ с малым выходным сопротивлением рассмотрены выше. В триодном усилителе выходное сопротивление, как правило, намного меньше, чем в пентодном или тетродном, а линейность до введения ООС выше, поэтому введение ООС по напряжению улучшает работу отдельно взятого усилителя, но вместе с тем ещё более ухудшает работу головки громкоговорителя. Как следствие, в результате введения ООС по выходному напряжению в триодный усилитель звук, действительно, может становиться хуже, несмотря на улучшение характеристик собственно усилителя! Этот эмпирически установленный факт служит неиссякаемой пищей для спекуляций на тему вреда от применения обратных связей в звуковых усилителях мощности, а также рассуждений об особой, ламповой прозрачности и естественности звучания. Однако из вышерассмотренных фактов со всей очевидностью следует, что дело не в наличии (или отсутствии) самой по себе ООС, а в результирующем выходном сопротивлении усилителя. Вот где «собака зарыта»!

Стоит сказать несколько слов об использовании отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ. Да, положительная обратная связь (ПОС) по току помогает задемпфировать ГГ на частоте основного резонанса и уменьшить мощность, рассеиваемую на звуковой катушке. Однако за простоту и эффективность демпфирования приходится платить возрастанием влияния индуктивности ГГ на её характеристики, даже по сравнению с режимом работы от источника напряжения. Это вызвано тем, что постоянная времени L г /R г заменяется на большую, равную L г /. Соответственно понижается частота, начиная с которой в сумме импедансов системы «ГГ + УМЗЧ» начинает доминировать индуктивное сопротивление. Аналогично увеличивается и влияние тепловых изменений активного сопротивления звуковой катушки: сумма изменяющегося сопротивления звуковой катушки и неизменного отрицательного выходного сопротивления усилителя в процентном отношении изменяется сильнее.

Конечно, если R вых. УМ по абсолютной величине не превышает 1/3...1/5 от активного сопротивления обмотки звуковой катушки, потеря от введения ПОС невелика. Поэтому слабую ПОС по току для небольшого дополнительного демпфирования или для точной подстройки добротности в низкочастотной полосе применять можно. Кроме того, ПОС по току и режим источника тока в УМЗЧ не совместимы между собой, вследствие чего токовое питание ГГ в низкочастотной полосе, к сожалению, оказывается не всегда применимым.

С интермодуляционными искажениями мы, видимо, разобрались. Теперь осталось рассмотреть второй вопрос - величину и длительность призвуков, возникающих в диффузоре ГГ при воспроизведении сигналов импульсного характера. Этот вопрос гораздо сложнее и «тоньше».

Для исключения этих призвуков теоретически есть две возможности. Первая - это сдвинуть все резонансные частоты за пределы рабочего диапазона частот, в область далекого ультразвука (50...100 кГц). Этим способом пользуются при разработке маломощных высокочастотных ГГ и некоторых измерительных микрофонов. Применительно к ГГ - это способ «жесткого» диффузора.

Так вот, возможен и третий вариант - использование ГГ с относительно «жестким» диффузором и введение её акустического демпфирования. В этом случае удается в некоторой мере совместить достоинства обоих подходов. Именно таким образом чаще всего строятся студийные контрольные громкоговорители (большие мониторы). Естественно, что при питании демпфированной ГГ от источника напряжения из-за резкого падения полной добротности основного резонанса существенно искажается АЧХ. Источник тока в этом случае также оказывается предпочтительнее, поскольку способствует выравниванию АЧХ одновременно с исключением эффекта термической компрессии.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие практические выводы:

1. Режим работы головки громкоговорителя от источника тока (в противоположность источнику напряжения) обеспечивает существенное снижение интермодуляционных искажений, вносимых самой головкой.

2. Наиболее целесообразный вариант конструкции громкоговорителя с низкими интермодуляционными искажениями - активный многополосный, с разделительным фильтром (кроссовером) и отдельными усилителями на каждую полосу. Впрочем, этот вывод справедлив независимо от режима питания ГГ.

4. С целью получения высокого выходного сопротивления усилителя и сохранения малой величины его искажений следует применять ООС не по напряжению, а по току.

Конечно, автор понимает, что предлагаемый метод снижения искажений не является панацеей. Кроме того, в случае использования готового многополосного громкоговорителя осуществление токового питания его отдельных ГГ без переделки невозможна. Попытка же подключения многополосного громкоговорителя в целом к усилителю с повышенным выходным сопротивлением приведёт не столько к снижению искажений, сколько к резкому искажению АЧХ и соответственно, сбою тонального баланса. Тем не менее снижение интермодуляционных искажений ГГ почти на порядок , причем столь доступным методом, явно заслуживает достойного внимания.

С.АГЕЕВ, г. Москва

2014-02-10T19:57

2014-02-10T19:57

Audiophile"s Software

ПРОЛОГ : Выходной импеданс выхода под наушники является одной из самых распространенных причин, почему одни и те же наушники могут звучать по-разному в зависимости от того, куда они включены. Этот важный параметр редко указывается производителями, но в то же время может послужить причиной существенных различий в качестве звучания и в значительной степени повлиять на совместимость наушников.

ВКРАТЦЕ: Всё, что вам действительно надо знать, это что большинство наушников лучше всего работают, если выходной импеданс устройства менее 1/8 импеданса наушников. Так, для примера, для 32-омных Grados выходной импеданс должен быть максимум 32/8 = 4 Ом. Etymotic HF5 - 16-омные, потому максимальный выходной импеданс должен быть равен 16/8 = 2 Ом. Если вы хотите быт уверены, что источник будет работать с любыми наушниками, удостоверьтесь, что его выходной импеданс менее 2 Ом.

ПОЧЕМУ ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС ТАК ВАЖЕН? Как минимум по трем причинам:

• Чем больше выходной импеданс, тем больше падение напряжения при меньших импедансах нагрузки. Это падение может быть достаточно большим, чтобы помешать «раскачать» низкоомные наушники до нужного уровня громкости. В качестве примера можно привести Behringer UCA202 с выходным импедансом 50 Ом. Он сильно проигрывает в качестве при использовании 16 - 32-омных наушников.
• Импеданс наушников зависит от частоты. Если выходной импеданс намного больше нуля, это значит, что напряжение, падающее на наушниках, также будет изменяться с частотой. Чем больше выходной импеданс, тем больше неравномерность частотной характеристики . Разные наушники будут взаимодействовать по-разному (причем обычно непредсказуемо) с разными источниками. Иногда эти различия могут быть значительными и вполне ощутимыми на слух.
• По мере того, как выходной импеданс увеличивается, уменьшается коэффициент демпфирования . Уровень басов, который рассчитывался для наушников при проектировании, при недостаточном демпфировании может существенно снизиться. Низкие частоты будут более гудящими и не такими четкими (размазанными). Переходная характеристика ухудшается, при этом страдает глубина басов (больше спад на низких частотах). Некоторым людям, вроде тех, кому нравится «теплый ламповый звук», такой недодемпфированный бас может даже прийтись по вкусу. Но в абсолютном большинстве случаев это даёт менее честный звук, чем при использовании низкоомного источника.

ПРАВИЛО ОДНОЙ ВОСЬМОЙ: Для минимизации каждого из вышеописанных эффектов необходимо всего лишь обеспечить выходной импеданс хотя бы в 8 раз меньший, чем импеданс наушников. Еще проще: поделите импеданс наушников на 8 и получите максимальный импеданс усилителя, позволяющий избежать слышимых искажений.

ЕСТЬ ЛИ КАКОЙ-ТО СТАНДАРТ ДЛЯ ВЫХОДНОГО ИМПЕДАНСА? Единственный такой стандарт, который я знаю - IEC 61938 (1996 г.). Он устанавливает требование к выходному импедансу в 120 Ом. Есть несколько причин, почему эти требования устарели, и вообще не являются хорошей идеей. В статье Stereophile о стандартном значении 120 Ом говорится буквально следующее:

«Кто бы это не написал, он явно живет в мире грез»

Должен согласиться. Возможно, значение в 120 Ом еще было приемлемо (и то, едва ли) до появления iPod и до того, как портативные устройства вообще обрели широкую популярность, но не более. Сегодня большая часть наушников разработана совершенно иначе.

ПСЕВДО-СТАНДАРТЫ: выходы под наушники большинства профессиональных установок имеют сопротивление 20 - 50 Ом. Не знаю ни одной, которая бы соответствовала 120 Ом, как в стандарте МЭК. Для оборудование потребительского класса значение выходного импеданса обычно лежит в пределах 0 - 20 Ом. За исключением некоторых ламповых и других эзотерических разработок, большая часть аудиофильского high-end оборудования имеет импеданс ниже 2 Ом.

ВЛИЯНИЕ iPOD: С тех пор, как в 1996-м было опубликован 120-омный стандарт, от низкокачественных кассетных плееров, через портативные CD-плееры, мы наконец перешли к повальному увлечению iPod"ами. Apple помогла сделать высокое качество портативным, и сейчас мы имеем в обороте как минимум полмиллиарда цифровых плееров, не считая телефоны. Практически все портативные музыкальные/медиа-плееры работают от одинарных аккумуляторных литий-ионных батарей. Эти батареи вырабатывают напряжение чуть более 3 вольт, что обычно даёт около 1 вольт (RMS) на выходе под наушники (иногда менее). Если вы поставите на выход сопротивление 120 Ом и воспользуетесь обычными портативными наушниками (сопротивление которых лежит в пределе 16 - 32 Ом), громкость воспроизведения скорей всего будет недостаточной. Кроме того, большая часть энергии батареи будет рассеиваться в виде тепла на 120-омном резисторе. Лишь малая часть мощности будет приходиться на наушники. Это серьезная проблема для портативных устройств, где очень важно продлить время работы аккумулятора. Более эффективным было бы подавать всю мощность на наушники.

КОНСТРУКЦИЯ НАУШНИКОВ: Так для какого же выходного импеданса компании-производители разрабатывают свои наушники? По состоянию на 2009 год было продано более 220 миллионов iPod"ов. iPod и аналогичные портативные плееры на рынке наушников подобны 800-фунтовым гориллам. Потому не удивительно, что большинство разработчиков стали создавать наушники таким образом, чтобы они были хорошо совместимы с iPod. Это значит, что они рассчитаны на работу с выходным импедансом менее 10 Ом. А практически все хай-эндовые полноразмерные наушники рассчитаны на источники, соблюдающие правило 1/8, или же имеющие импеданс близкий к нулю. Мне ни разу не встречались аудиофильские наушники предназначенные для домашнего использования, разработанные в соответствии с древним 120-омным стандартом.

ЛУЧШИЕ НАУШНИКИ ДЛЯ ЛУЧШИХ ИСТОЧНИКОВ: Если вы бегло ознакомитесь с наиболее обозреваемыми high-end усилителями для наушников и ЦАП"ами, вы обнаружите, что практически все они обладают очень низким выходным импедансом. Примерами являются продукты Grace Designs, Benchmark Media, HeadAmp, HeadRoom, Violectric, etc. Само собой, что большинство high-end наушников лучше всего проявляют себя в сочетании с такого же класса оборудованием. Некоторые из наиболее хорошо зарекомендовавших себя наушников изначально имеют низкий импеданс, включая различные модели от Denon, AKG, Etymotic, Ultimate Ears, Westone, HiFiMAN и Audeze. Все они, насколько я знаю, были разработаны для использования в сочетании с источником, имеющим низкий (в идеале нулевой) импеданс. Также и представитель Sennheiser сказал мне, что они разрабатывают свои аудиофильские и портативные наушники для источников с нулевым импедансом.

ВОПРОС АЧХ: Если выходной импеданс больше 1/8 импеданса наушников, будет наблюдаться неравномерность частотной характеристики. Для некоторых наушников, особенно арматурных (сбалансированный якорь) или мульти-драйверных, эти различия могут быть колоссальными. Вот, как 43 Ом выходного импеданса влияют на АЧХ Ultimate Ears SuperFi 5 - вполне ощутимая неравномерность в 12 дБ:

ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС 10 ОМ: Кое-кто может взглянуть на пример выше и подумать, что такие значительные отличия проявляются лишь при сопротивлении в 43 Ом. Но множество источников имеет импеданс около 10 Ом. Вот те же наушники с 10-омным источником - все еще отчетливо слышимая неравномерность в 6 дБ. Такая кривая приводит к ослаблению басов, выраженному акценту на средних частотах, приглушенным высоким и нечеткой фазовой характеристике из-за резкого провала на 10 кГц, что может повлиять на стерео-панораму.

ПОЛНОРАЗМЕРНЫЕ SENNHEISER: Вот полноразмерные Sennheiser HD590 c повышенным импедансом, с тем же 10-омным источником. Теперь неравномерность выше 20 Гц лишь немногим более 1 дБ. Хотя 1 дБ - это не так уж много, неравномерность находится в области «гудящих» низов, где любой акцент крайне нежелателен:

КАК РАБОТАЕТ ДЕМПФИРОВАНИЕ: любая динамическая головка, будь то наушники или колонки, перемещается взад и вперед по мере воспроизведения музыки. Таким образом они создают звуковые колебания, представляя собой движущуюся массу. Законы физики гласят, что движущийся объект склонен оставаться в движении (т.е. обладает инерцией). Демпфирование же помогает избежать нежелательных перемещений. Если слишком не вдаваться в детали, недодемпфированный динамик продолжает двигаться тогда, когда он уже должен остановиться. Если же динамик передемпфирован (такое бывает редко), его возможности перемещаться соответственно подаваемому сигналу ограничены - представьте, что динамик пытается работать погруженным в кленовый сироп. Всего есть два способа демпфирования динамика - механический и электрический.

ПРЫГАЮЩИЕ ТАЧКИ: Механическое демпфирование подобно амортизаторам автомобиля. Они вносят сопротивление, потому если вы качнете машину, она не будет долго раскачиваться вверх-вниз. Но амортизация также добавляет жесткость, потому что не позволяет подвеске менять своё положение в полном соответствии с рельефом дороги. Потому здесь приходится искать компромисс: мягкие амортизаторы делают поездку более мягкой, но приводят к покачиванию, жесткие же делают поездку менее комфортной, но предотвращают раскачивание. Механическое демпфирование - это всегда компромисс.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕННЕЕ: Есть лучший способ контролировать нежелательное перемещение диффузора, называется он электрическим демпфированием . Катушка и магнит в динамике взаимодействуют с усилителем для контроля перемещения диффузора. Этот тип демпфирования имеет меньше побочных эффектов и позволяет разработчикам создавать наушники с меньшим уровнем искажений и лучшим звучанием. Как подвеска автомобиля, способная более точно подстраиваться под рельеф дороги, оптимально демпфированные наушники могут точнее воспроизводить аудио сигнал. Но, и это критический момент, электрическое демпфирование эффективно лишь тогда, когда выходной импеданс усилителя намного меньше импеданса наушников . Если вы включите 16-омные наушники в усилитель с выходным импедансом 50 Ом, электрическое демпфирование сойдет на нет. Это значит, что динамик не остановится в тот момент, когда он должен остановиться. Это похоже на автомобиль с изношенными амортизаторами. Конечно же, если правило 1/8 соблюдено, электрическое демпфирование будет достаточным.

АКУСТИЧЕСКАЯ ПОДВЕСКА: В 70-х ситуация изменилась, так как популярными стали транзисторные усилители. Практически во всех транзисторных усилителях соблюдается правило 1/8. Фактически большинство соответствует правилу 1/50 - их выходной импеданс меньше 0.16 Ом, что даёт коэффициент демпфирования 50. Таким образом производители динамиков получили возможность разрабатывать более качественные динамики, использующие преимущества низкого выходного импеданса. Прежде всего были разработаны первые закрытые динамики с акустической подвеской от Acoustic Research, Large Advents, и др. Они обладали более глубоким и точным басом, чем у аналогичных по размеру предшественников, рассчитанных на ламповые усилители. Это было большим прорывом в области hi-fi - благодаря новым усилителям теперь можно было в значительной мере полагаться на электрическое демпфирование. И очень жаль, что столь многие источники сегодня отстают от жизни на 40 и более лет.

КАКОЙ ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС У МОЕГО УСТРОЙСТВА? Некоторые разработчики дают понять, что они стремятся максимально снизить выходной импеданс (как, например, Benchmark), в то время как другие указывают для своих продуктов его фактическое значение (например, 50 Ом для Behringer UCA202). Большинство же, к сожалению, оставляют это значение загадкой. Некоторые обзоры оборудования (например, в этом блоге) включают измерение выходного импеданса, так как от него в значительной мере зависит, как будет звучать устройство с теми или иными наушниками.

ПОЧЕМУ ТАКОЕ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО ИСТОЧНИКОВ ИМЕЕТ ВЫСОКИЙ ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС? Наиболее распространенные причины следующие:

• Защита наушников - Более мощные источники с низким выходным импедансом зачастую способны подать слишком большую мощность на низкоомные наушники. Дабы защитить такие наушники от повреждения, некоторые разработчики увеличивают выходной импеданс. Таким образом это компромисс, адаптирующий усилитель к нагрузке, но ценой ухудшения параметров для большинства наушников . Лучшее решение - возможность выбора двух уровней усиления. Низкий уровень позволяет установить меньше выходное напряжение для наушников с низким импедансом. Также в добавок может использоваться ограничение по току, таким образом источник будет автоматически ограничивать ток для низкоомных наушников, даже если установлен слишком большой уровень усиления.
• Чтобы отличаться - Некоторые разработчики специально завышают выходной импеданс, утверждая, что это улучшает звучание их устройства. Иногда это используется как способ сделать звучание продукта отличным от звучания конкурирующих продуктов. Но в таком случае каждое «отдельное звучание», которое вы получаете, полностью зависит от используемых наушников. Для некоторых наушников это воспринимается как улучшение, с другими же скорей как значительное ухудшение. Наиболее вероятно, что звучание в значительной мере исказится.
• Это дешево - Более высокий выходной импеданс является наиболее простым решением для дешевых источников. Это дешевый способ достижения стабильности, простейшая защита от короткого замыкания; также это позволяет использовать менее качественные операционные усилители, которые в противном случае напрямую не смогли бы раскачать даже 16 или 32-омные наушники. Путем последовательного подключения к выходу некоторого сопротивления, все эти проблемы решаются ценой в какой-то цент. Но за это дешевое решение приходится платить значительным ухудшением качества звучания на многих моделях наушников.

ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ ПРАВИЛ: Существует несколько наушников, якобы предназначенных для использования с высоким выходным импедансом. Лично мне интересно, миф это или реальность, так как я не знаю ни одного конкретного примера. Впрочем, это возможно. В таком случае использование этих наушников с низкоомным источником может привести к передемпфированной динамике басов и, как следствие, к отличной от планируемой разработчиком АЧХ. Этим могут объясняться отдельные случаи «синергии», когда определенные наушники сочетаются с определенным источником. Но этот эффект воспринимается сугубо субъективно - для кого-то как выразительность и детальность звучания, для кого-то - как излишняя жесткость. Единственный способ добиться адекватной работы - использовать низкоомный источник и соблюдать правило 1/8.

КАК НЕДОРОГО ПРОВЕРИТЬ: Если вас интересует, не страдает ли качество звучания из-за выходного импеданса источника, могу предложить приобрести за 19$ усилитель FiiO E5 . Он оснащен выходом с практически нулевым импедансом и его будет достаточно для большей части наушников с импедансом

ИТОГО: Если только вы не абсолютно уверены, что ваши наушники звучат лучше с каким-то определенным более высоким выходным импедансом, лучше всегда использовать источники с импедансом не более 1/8 от импеданса ваших наушников. Или еще проще: с импедансом не более 2 Ом.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ИМПЕДАНС И СОПРОТИВЛЕНИЕ: Эти два термина в некоторых случаях взаимозаменяемы, но технически они имеют значительные отличия. Электрическое сопротивление обозначается буквой R и имеет одинаковое значение для всех частот. Электрический импеданс - величина более сложная, и его значение обычно меняется с частотой. Он обозначается буковой Z . В рамках данной статьи единицы измерения обоих величин - Омы .

НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК: Чтобы понять, что такое импеданс, и о чем вообще идет речь в этой статье, важно иметь хотя бы общее представление о напряжении и токе. Напряжение подобно давлению воды, в то время как ток является аналогом потока воды (например, литров в минуту). Если вы пустите воду из своего садового шланга, не прикрепив ничего к его концу, вы получите большой поток воды (ток) и сможете быстро наполнить ведро, но давление вблизи конца шланга будет практически равняться нулю. Если вы воспользуетесь небольшой насадкой на шланг, давление (напряжение) будет значительно большим, а поток воды при этом уменьшится (понадобится больше времени, чтобы наполнить то же самое ведро). Эти два значения связаны обратной зависимостью. Взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением (а также импедансом, в рамках данной статьи) определяется Законом Ома. R можно заменить на Z.

ОТКУДА ВЗЯЛОСЬ ПРАВИЛО 1/8?: Минимальные слышимые отличия громкости, которые воспринимаются человеком - около 1 дБ. Падение в -1 дБ на выходном импедансе соответствует коэффициенту, 10^(-1/20) = 0.89 . Используя формулу делителя напряжения, мы получим, что когда выходной импеданс равен 1/8 импеданса нагрузки, коэффициент как раз равен 0.89, т. е. падение напряжения составляет -1 дБ. Импеданс наушников может меняться в пределах полосы звуковых частот в 10 или более раз. Для SuperFi 5 указан импеданс 21 Ом, но фактически он изменяется от 10 до 90 Ом. Таким образом правило 1/8 даёт нам значение максимального выходного импеданса 2.6 Ом. Если принять напряжение источника равным 1 В:

• Напряжение на наушниках при импедансе 21 Ом (номинальный) = 21 / (21+2.6) = 0.89 В
• Напряжение на наушниках при импедансе 10 Ом (минимальный) = 10 / (10+2.6) = 0.79 В
• Напряжение на наушниках при импедансе 90 Ом (максимальный) = 90 / (90+2.6) = 0.97 В
• Неравномерность АЧХ = 20*log(0.97/0.89) = 0.75 дБ (менее 1 дБ)

ИЗМЕРЕНИЕ ВЫХОДНОГО ИМПЕДАНСА: Как видно из принципиальной схемы выше, выходное сопротивление формирует делитель напряжения. Измерив выходное напряжение без подключения нагрузки и с известной нагрузкой, вы сможете рассчитать выходной импеданс. Это можно легко сделать с помощью онлайн калькулятора . Напряжение без нагрузки - это «Input Voltage», R2 - это известное сопротивление нагрузки (не используйте в данном случае наушники), «Output Voltage» - напряжение при подключении нагрузки. Нажмите Compute, и получите искомый выходной импеданс R1. Также это можно сделать с помощью 60-герцовой синусоиды (её можно сгенерировать, например, в Audacity), цифрового мультиметра и 15 - 33-омного резистора. Большинство цифровых мультиметров имеют хорошую точность лишь вблизи частоты 60 Гц. Воспроизведите 60 Гц синусоиду и отрегулируете громкость таким образом, чтобы выходное напряжение было равно примерно 0.5 В. Затем подключите резистор и зафиксируйте новое значение напряжения. Например, если вы получили 0.5 В без нагрузки и 0.38 В с нагрузкой 33 Ом, выходной импеданс равен примерно 10 Ом. Формула здесь следующая: Zист = (Rн * (Vхх - Vн)) / Vн. Vхх - напряжение без нагрузки (холостой ход).

Ни одни наушники не обладают полностью резистивным сопротивлением, не изменяющимся в пределах диапазона звуковых частот. Абсолютное большинство наушников представляют собой реактивное сопротивление и обладают комплексным импедансом . Из-за емкостных и индуктивных составляющих импеданса наушников его значение меняется с частотой. Например, вот зависимость импеданса (желтым) и фазы (белым) от частоты для Super Fi 5. Ниже ~200 Гц импеданс равен всего 21 Ом. Выше 200 Гц он возрастает до ~90 Ом к 1200 Гц, а затем спадает до 10 Ом к 10 кГц:

ПОЛНОРАЗМЕРНЫЕ НАУШНИКИ: Возможно, кого-то не интересуют внутриканальные наушники вроде Super Fi 5, так что вот импеданс и фаза для популярной модели Sennheiser HD590. Импеданс всё так же варьируется: от 95 до 200 Ом - практически в два раза:

МАТЧАСТЬ: Один из графиков в начале статьи демонстрировал неравномерность АЧХ около 12 дБ для SuperFi 5, подключенных к источнику с импедансом 43 Ом. Если мы примем номинальное значение 21 Ом за опорное, а выходное напряжение источника примем равным 1 В, уровень напряжения на наушниках будет следующим:

• Опорный уровень: 21 / (43 + 21) = 0.33 В - что соответствует 0 дБ
• При минимальном импедансе 9 Ом: 9 / (9 + 43) = 0.17 В = -5.6 дБ
• При максимальном импедансе 90 Ом: 90 / (90 + 43) = 0.68 В = +6.2 дБ
• Диапазон изменения = 6.2 + 5.6 = 11.8 дБ

УРОВНИ ДЕМПФИРОВАНИЯ: Демпфирование динамиков, как пояснялось ранее, может быть либо чисто механическим (Qms), либо складываться из электрического (Qes) и механического демпфирования. Суммарное демпфирование обозначается Qts. Как эти параметры взаимодействуют на низких частотах - объясняется моделированием Тиля - Смолла . Уровни демпфирования можно подразделить на три категории:

• Критическое демпфирование (Qts = 0.7) - Многие считают его идеальным случаем, так как оно обеспечивает наиболее глубокие НЧ, без каких-либо отклонений АЧХ или чрезмерного звона (неконтролируемых перемещений диффузора). Бас такого динамика обычно воспринимается как «упругий»,«четкий» и «прозрачный». Большинство считает, что Qts 0.7 обеспечивает идеальную переходную характеристику.
• Избыточное демпфирование (Qts
• Слабое демпфирование (Qts > 0.7) - Позволяет получить некоторое усиление НЧ с пиком в верхней части НЧ диапазона. Динамик контролируется не полностью, что приводит к чрезмерному «звону» (т.е. диффузор недостаточно быстро прекращает своё движение после затухания электрического сигнала). Слабое демпфирование приводит к отклонениям АЧХ, менее глубоким басам , плохой переходной характеристике и подъему АЧХ в области верхней границы НЧ. Слабое демпфирование - это дешевый способ поднять уровень басов ценой их качества. Этот прием активно используется в дешевых наушниках, дабы создать «поддельные басы». Звучание недодемпфироанных динамиков часто характеризуется как «гулкий» или «небрежный» бас. Если ваши наушники рассчитаны на электрическое демпфирование, и вы будете использовать их с источником, имеющим импеданс более 1/8 импеданса наушников, вы получите именно такие, недодемпфированные НЧ .

ТИПЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ: Есть три способа демпфирования динамиков / контроля резонанса:

• Электрическое демпфирование - Уже известное нам Qes, оно подобно рекуперативному торможению в гибридных электромобилях. Когда вы жмете на тормоза, электромотор замедляет движение машины, превращаясь в генератор и передавая энергию обратно батареям. Динамик способен выполнять то же самое. Но если выходной импеданс усилителя увеличивается, эффект торможения значительно снижается - отсюда и правило 1/8.
• Механическое демпфирование - Известное как Qms, оно скорей подобно автомобильным амортизаторам. По мере того, как вы увеличиваете механическое демпфирование динамика, оно ограничивает управлющий им музыкальный сигнал, что приводит к большей нелинейности. Это увеличивает искажения и снижает качество звучания.
• Демпфирование за счет корпуса - Корпус может обеспечить демпфирование, но при этом требуется, чтоб он был закрытым - либо с правильно настроенным фазоинвертором, либо с контролируемым ограничением. Множество топовых наушников конечно же являются открытыми, что исключает возможность использования демпфирования за счет корпуса, как в акустических колонках.

УРОВЕНЬ ПРИЖИМА: Для наушников, которые имеют достаточно плотную посадку, вроде полноразмерных охватывающих с плотно прилегающими амбушюрами, разработчик могут учитывать возможность некоторого дополнительного демпфирования за счет ушной раковины. Но форма головы, ушей, прическа, посадка наушников, наличие очков и другие факторы делают этот эффект практически непредсказуемым. Для накладных наушников эта возможность отсутствует вообще. Ниже вы видите два графика, изображающих импеданс Sennheiser HD650. Обратите внимание: резонансный пик на НЧ в открытом виде имеет уровень 530 Ом, но при использовании искусственной головы значение снижается до 500 Ом. Причиной этого является демпфирование за счет закрытого пространства, образованного ушной раковиной и амбушюрами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Надеюсь, теперь понятно, что единственным путем достижения эффективной работы связки наушники-усилитель является соблюдение правила 1/8. Хоть кое-кто и предпочитает звучание при более высоком выходном импедансе, оно в крайней степени зависит от используемой модели наушников, значения выходного импеданса и личных предпочтений. В идеале - следовало бы создать новый стандарт, в соответствии с которым разработчики должны были бы выпускать источники с выходным импедансом менее 2 Ом.

Информация от спонсора

KUPI.TUT.BY: удобный каталог ноутбуков, ноутбуки цены . Здесь Вы можете подобрать и купить ноутбук по низкой цене. Удобство оплаты, доставка, гарантия качества.

Оригинал статьи на английском: Headphone & Amp Impedance

Почему так важно значение выходного импеданса источника (усилителя), как он взаимодействует с наушниками и на что влияет.

Copyright Taras Kovrijenko 2009–2019

6.3. Монтаж и исследование апериодического усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

В усилителях на бипо лярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером.

Напомним, что входные цепи чувствительного усилителя низкой частоты обязательно выполняются экранированным проводом.

Для исследования работы усилителя по схеме рисунка 6.6 можно собрать усилитель, используя приведенную на рисунке 6.8 монтажную плату.

При монтаже усилителя необходимо в обязательном порядке соблюдать полярность подключения электролитических конденсаторов. На монтажной схеме показана полярность подключения только одного электролитического конденсатора. Полярность подключения двух других конденсаторов определяется по принципиальной схеме усилителя. Так как на выходе генератора синусоид альных колебаний, который будут использоваться для проверки изготовленного усилителя, нет постоянной составляющей напряжения, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 6.6, а для транзистора р-n-р типа - на рисунке 6.7.

Так как электролитические конденсаторы обладают индуктивным сопротивлением, то в высококачественных усилителях низкой частоты параллельно электролитическим конденсаторам ставят керамические конденсаторы небольшой емкости.

Измерение чувствительности и номинальной выходной

мощности усилителя низкой частоты

Предварительно задают необходимое значение коэффициента гармоник на выходе усилителя. Регулятор громкости усилителя устанавливают в положение максимальной громкости, а регуляторы тембра в среднее положение. Включают в сеть все измерительные приборы и подают питающее напряжение на усилитель. Со звукового генератора через делитель напряжения на резисторах R 1 , R 2 на вход усилителя подают синусоидальное напряжение частотой 1000 Гц. Постепенно увеличивают синусоидальное напряжение на входе усилителя и одновременно измеряют коэффициент гармоник сигнала на выходе усилителя. Как только коэффициент гармоник достигнет заданного значения, измеряют напряжение на выходе усилителя U Н.ВЫХ и определяют напряжение на входе усилителя U Н.ВХ. Если отсутствует чувствительный электронный вольтметр, то напряжение на входе усилителя определяют после измерения электронным вольтметром 1 напряжения U 1 на входе делителя напряжения (на резисторах R 1 и R 2 - рис. 6.9 ).

(6.1)

При небольшой чувствительности усилителя можно обойтись без делителя напряжения, так как мешающие напряжения, возникающие при подключении к входной цепи усилителя измерительных проводов, не окажут существенного влияния на результаты измерений.

Входное напряжение U н.вх характеризует чувствительность усилителя при заданном коэффициенте гармоник на выходе усилителя. Номинальную выходную мощность на нагрузке R н определяют по формуле:

(6.2)

Коэффициент гармоник 5-8 % можно примерно определить с помощью осциллографа. При таком коэффициенте гармоник заметно искажение синусоиды на экране осциллографа. Искажение синусоиды обнаружить проще, если воспользоваться двухлучевым осциллографом и сигнал на выходе усилителя сравнивать с сигналом на входе.

Таким образом, измерить чувствительность и определить номинальную выходную мощность усилителя низкой частоты при коэффициенте гармоник сигнала на выходе усилителя 5-8 % можно приблизительно без измерителя коэффициента гармоник. Максимальную выходную мощность усилителя определяют при коэффициенте гармоник 10 %.

Измерение входного сопротивления усилителя

Входное сопротивление усилителя низкой частоты обычно измеряют на частоте 1000 Гц. Если входное сопротивление усилителя R вх значительно меньше внутреннего сопротивления используемого вольтметра, то для определения входного сопротивления усилителя последовательно с его входом включают резистор, сопротивление которого примерно равно входному сопротивлению усилителя. Два электронных вольтметра подключают так, как показано на рисунке 6.10 , где R вх - входное сопротивление усилителя. Определение входного сопротивления усилителя сводится к решению следующей задачи: известны напряжения U 1 и U 2 , показываемые вольтметрами V 1 и V 2 , сопротивление резистора R; требуется определить R вх. Так как внутреннее сопротивление вольтметра V 2 значительно больше входного сопротивления усилителя, то:

(6.3)

Если входное сопротивление усилителя окажется соизмеримым с внутренним сопротивлением вольтметра, то определять R вх таким образом нельзя.

В этом случае для определения входного сопротивления усилителя собирают приборы по схеме рисунка 6.9 , но только без измерителя коэффициента гармоник. На вход усилителя подают синусоидальное напряжение частотой 1000 Гц, не превышающее по величине номинальное входное напряжение. Измеряют входное U вх1 и выходное U вых1 напряжения усилителя и определяют коэффициент усиления напряжения К = U вых1 /U вх1 . Затем последовательно со входом усилителя включают резистор R и, не изменяя напряжения на выходе звукового генератора, измеряют напряжение на выходе усилителя U вых2 . Напряжение на выходе усилителя уменьшилось, так как при включении резистора R последовательно со входом усилителя часть напряжения с выхода генератора падает на резисторе R, а часть - на входном сопротивлении R вх. На основании законов последовательного соединения можно записать:

U вх1 = U R + U R вх (6.4)

(6.5)

Выразим U Rвх и U вх1 через напряжения на выходе усилителя

(6.6) (6.7)

Подставив (6.6) и (6.7) в (6.5) получим:

(6.8)

Из (6.8) получим выражение для входного сопротивления усилителя:

(6.9)

Для повышения точности определения R вх необходимо, чтобы сопротивление резистора R было одного порядка с входным сопротивлением усилителя R вх.

Измерение выходного сопротивления усилителя

Выходное сопротивление усилителя определяют из закона Ома для полной цепи

(6.10)

где R н - сопротивление нагрузки, R вн - внутреннее (выходное) сопротивление источника. Учитывая, что напряжение на зажимах источника U = I × R н из (6.10) получим

U = e - I × R вн (6.11)

Отключим R н, тогда ток I будет очень маленьким, следовательно, напряжение на зажимах источника U будет равно электродвижущей силе e . Подключим R н. Тогда падение напряжения внутри источника (e - U Rн) будет относиться к падению напряжения на нагрузке U Rн как внутреннее сопротивление источника относится к сопротивлению нагрузки

(6.12) (6.13)

Для более точного определения внутреннего (выходного) сопротивления усилителя необходимо взять сопротивление R н одного порядка с внутренним.

Выходное сопротивление усилителя измеряют обычно на частоте 1000 Гц. От звукового генератора на вход усилителя подают синусоидальное напряжение 1000 Гц такое, чтобы при отключенной нагрузке коэффициент гармоник сигнала на выходе усилителя не превышал заданного для данного усилителя значения.

Для определения выходного сопротивления R вых измеряют выходное напряжение усилителя дважды. При отключенной нагрузке выходное напряжение будет равно ЭДС, а при подключенной - U Rн.

Выходное сопротивление усилителя определяют по формуле

(6.14)

Построение амплитудной характеристики

Важную информацию о качестве усилителя можно получить из амплитудной характеристики. Для снятия амплитудной характеристики собирают приборы по схеме рис. 6.9 , исключив измеритель гармоник. Со звукового генератора на вход усилителя подают синусоидальное напряжение частотой 1000 Гц такое, чтобы стало заметным отличие сигнала на выходе усилителя от синусоидального. Полученное значение входного напряжения увеличивают примерно в 1,5 раза и измеряют выходное напряжение усилителя электронным вольтметром. Полученные значения входного и выходного напряжения усилителя дадут одну из точек (крайнюю) амплитудной характеристики усилителя. Затем, уменьшая входное напряжение, снимают зависимость выходного напряжения от входного. Из амплитудной характеристики усилителя легко определяется коэффициент усиления по напряжению К=U вых /U вх. Входное и выходное напряжения усилителя для определения коэффициента усиления необходимо выбирать на линейном участке амплитудной характеристики. В этом случае коэффициент усиления усилителя не будет зависеть от входного напряжения.

Измерение уровня собственных шумов усилителя

Для определения уровня собственных шумов усилителя измеряют выходное напряжение усилителя, подключив к входу усилителя резистор, сопротивление которого равно входному сопротивлению усилителя. Уровень собственных шумов усилителя выражают в децибелах – формула (5.6). Для уменьшения влияния наводок от внешних электромагнитных полей входные цепи усилителя тщательно экранируют.

Определение коэффициента полезного действия усилителя

Коэффициент полезного действия усилителя определяют при подаче на вход синусоидального напряжения частотой 1000 Гц соответствующего номинальной выходной мощности. Определяют номинальную выходную мощность по формуле (6.2)

Мощность, потребляемую усилителем от источников (источника), определяют по формуле P 0 =I × U , где I - ток, потребляемый от источника, U - напряжение на клеммах усилителя, предназначенных для подключения источника питания (схему подключения амперметра и вольтметра выбирают с учетом минимальной погрешности определения потребляемой усилителем мощности в зависимости от имеющихся в наличии амперметра и вольтметра).

Определение диапазона усиливаемых частот

Для определения диапазона усиливаемых частот и коэффициента частотных искажений строят частотную (амплитудно-частотную) характеристику.

Из определения амплитудно-частотной характеристики усилителя следует, что для ее построения на вход усилителя можно подавать любое напряжение, соответствующее линейному участку амплитудной характеристики. Однако при слишком маленьких входных напряжениях могут появиться погрешности, обусловленные шумами и фоном переменного тока. При больших входных напряжениях могут проявиться нелинейности элементов усилителя. Поэтому амплитудно-частотную характеристику обычно снимают при входном напряжении, соответствующем выходной мощности, равной 0,1 от номинальной.

Приборы для снятия амплитудно-частотной характеристики собирают по схеме рис. 6.9 , причем измеритель гармоник и осциллограф можно не подключать.

Диапазон усиливаемых частот определяется из амплитудно-частотной характеристики с учетом допустимых частотных искажений. Амплитудно-частотная характеристика усилителя - это зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты. Из рис. 5.5 видно, как определить диапазон усиливаемых усилителем частот (полоса пропускания) при уменьшении коэффициента усиления на граничных частотах до 0,7 от максимального, что соответствует коэффициенту частотных искажений 3 дБ.

Важнейшими техническими показателями усилителя являются :

коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

Коэффициенты усиления . Коэффициентом усиления по напряжению или просто коэффициентом усиления К , называется величина, показывающая, во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше, чем на его входе:

К = .

Значение коэффициента усиления К у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев недостаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой амплитуды. Тогда прибегают к последовательному включению ряда усилительных каскадов:

К = К 1∙ К 2 ∙ К n.

Коэффициент усиления представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ ). Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, равен

К = 20lg = 20lg К

Обратный переход от децибел к безразмерной величине производится при помощи выражения

К =
.

Если принять К= 1, то

К =
= 10= 1,12.

Следовательно, усиление равно одному децибелу, если напряжение на выходе усилителя в 1,12 раза (на 12%) больше, чем напряжение на входе. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усиления, выраженных в тех же единицах:

20lg К = 20lg К 1 + 20lg К 2 + …+20lg К n

Кроме коэффициента усиления по напряжению, пользуются коэффициентами усиления по току и по мощности, которые также могут быть выражены в децибелах. Например, если мощность сигнала на входе усилителя имела значение Р вх, а затем повысилась до Р вых, то коэффициент усиления по мощности в децибелах можно найти по формуле

.

Следует помнить, что для перехода к децибелам при логарифме отношения мощностей ставится множитель 10, а при логарифме отношения напряжений или токов ставится множитель 20. Это объясняется тем, что мощность пропорциональна квадрату напряжения или квадрату тока

.

Входное и выходное сопротивления

Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным сопротивление нагрузки. На рисунке показана одна из возможных эквивалентных схем усилительного каскада. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения с э.д.с. Е вх, имеющего внутреннее сопротивление R г. Со стороны выхода усилитель представлен в виде генератора напряжения с э.д.с. Е вых и внутренним сопротивлением R вых. Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки R н, причем нагрузкой усилителя может быть не только оконечное устройство (потребитель), но и вход следующего каскада усилителя.

Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя. Оно равно

Выходное сопротивление R вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки R н.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника R г и входного сопротивления усилителя R вх источник сигнала может работать в режиме:

холостого хода (R вх >> R г), короткого замыкания (R вх << R г), согласования (R вх ≈ R г).

Аналогичные режимы работы возможны и для выходной цепи:

(R н >> R вых) – холостой ход; (R н << R вых) – короткое замыкание; (R н >> R вых) – согласование.

В соответствии с этим различают как для входной, так и для выходной цепи режимы усиления напряжения, тока и мощности.

Линейный усилитель

Следующим звеном, после входного каскада, следует линейный усилитель. Качество его работы оказывает влияние на функционирование всего устройства и при неудачном схемном решении можно всё «легко и непринужденно» испортить. Эта часть усилителя охватывается общей обратной связью и искажения, возникающие в нём, компенсируются. Вот только не стоит возлагать на последнее повышенные ожидания – единожды возникнув, искажения уже никогда не исчезнут. Существует множество схемных решений подобного узла, поэтому вынести какую-то одну общую рекомендацию затруднительно. Просто перейдем к третьей части.

Выходной каскад

Выходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Это означает работу с большими напряжениями и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составляющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам. Кроме того, геометрические размеры усилителя и тепловая мощность, рассеиваемая на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. Всё это накладывает весьма жесткие требования к возможным схемным решениям, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса АВ.

Идея работы каскада заключается в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питания в соответствующие моменты времени. Это хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшается, то всё более значимым становится момент перехода через нуль – именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. Для уменьшения вносимых искажений, в усилителе устанавливается некоторый минимальный ток покоя выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) для небольшого уровня сигнала.

То есть, фактически вводится небольшой режим А, отсюда и появилась эта буква в названии класса AB. Увы, делать очень уж большой ток покоя нельзя, страдает эффективность усилителя – фактически, эта мощность будет тратиться всегда, есть ли сигнал или нет. При увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток покоя исчерпывается, и могут последовать коммутационные искажения.

Для обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А ’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности.

Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:

Подробнее можно ознакомиться с моделью и выполнить анализ можно над файлом проекта .

Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:

• AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА.
• ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора.

Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт (слева) и 10 вольт (справа):

При низком уровне сигнала класс AB работает в режиме A и потому не вносит каких-либо видимых искажений. У класса ЭА с этим несколько сложнее, потенциально присутствуют четные гармоники из-за очевидной несимметрии тока. Но это только «потенциально», избыточный ток протекает через транзистор противоположного канала и не попадает в нагрузку. Проще говоря, через источники питания течет ток с относительно небольшим уровнем гармоник, что не приводит к негативным последствиям.

При увеличении уровня сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а ЭА продолжает пытаться им управлять. Взглянем подробнее на место переключения:

Фактически, в классе ЭА оба плеча одновременно формируют выходное напряжение. Теперь обратимся к спектру гармоник. В данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 Гц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напряжение 10 вольт.

Для класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока покоя, а у ЭА лучшие результаты достигаются при средней степени агрессивности управления током. Скорее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управления током транзистора – на момент перехода транзистора из рабочего состояния в нерабочее его ток меняется довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устраняется компенсацией управления током в противоположном плече.

В схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах применяется либо класс А, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказывается классом ЭА с низким или отсутствующим током управления (фиолетовый и серый график). Если сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.

Выходное сопротивление усилителя

Обычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной связи. Как-то сложилось, что данное решение считается правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Но действительно ли это хорошо? Рассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам – потери и искажения в проводах, соединяющих усилитель и динамики, а также искажения в самих динамических головках при перемещении диффузора.

Довольно давно обнаружен эффект изменения сопротивления медного проводника при воздействии током разной силы и частоты, так называемый «полупроводниковый эффект». Величина изменения незначительна и никак не проявляет себя в обычных областях применения – передача электроэнергии, блоки питания, но приводит к искажениям при использовании его для передачи сильноточного звукового сигнала от усилителя к акустическим системам. Для обхода этой проблемы выпускают проводники из меди со специальной технологией изготовления, «бескислородная медь». Кроме того, соединители и разъемы тоже обладают свойством вносить искажения в передаваемый сигнал, ведь их сопротивление сочленения непостоянно во времени, хоть и мало по величине.

В тесте будут участвовать идеальные усилители с тремя типами выходного сопротивления:

• С крайне низким выходным сопротивлением.
• Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки.
• Усилитель работает в режиме "источник тока" и его выходное сопротивление крайне велико.

В симуляции будет использована следующая модель:

Для эмуляции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Шоттки. Можно было создать искажения линейной нагрузки любым другим способом, для теста это не существенно. В данной симуляции измеряются токи через нагрузки, а не напряжения. Это вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так для электростатических излучающих элементов).

Хотелось бы остановиться на цветной идентификации графиков:

• Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
• Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
• Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
• Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:

Вы видите здесь зеленый график? Я – нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Это означает, что увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.

Теперь перейдем к другой проблеме – изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. В тесте будут участвовать всё те же три усилителя, а эмуляцию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6 . Схема выглядит следующим образом:

Соображения по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуется. Посмотрим на спектр:

Налицо явные интермодуляционные искажения. Как и в предыдущем тесте, по мере увеличения выходного сопротивления усилителя уменьшаются негативные последствия изменения свойств дросселя (то есть индуктивности катушки динамика).

Существует еще один нюанс, связанный с выходным сопротивлением усилителя – импеданс акустической системы непостоянен в рабочей полосе частот. В области низких частот вносятся резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, для средних частот – разделительный фильтр оказывает влияние в областях раздела рабочих полос динамиков.

Кроме того, зачастую акустические системы проектируются под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботится о сохранении постоянного импеданса акустической системы. Если одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный постоянный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. Если такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучания станет другим.

Впрочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные явления в низкочастотной части компенсировать нельзя. Поправка – можно, но крайне неприятно – придется ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.

Естественно, в серийных конструкциях никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречается крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучания басов – возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличится время призвука. Этот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием – помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и вязкостью в окна с обратной стороны динамика.

От себя хочу добавить, что такой прием не слишком хорош, и у него есть возможные неприятные последствия, поэтому лучше менять тип выходного сопротивления усилителя в зависимости от частоты сигнала, чем «издеваться» над динамическими головками. В этом вопросе важно то, что переход на усилитель с токовым выходом меняет характер звучания и кому-то это может нравиться или не нравиться, но у него нет ничего общего с устранением искажений в акустической системе, озвученных в последних двух тестах.

Итак, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? Увы, прямо следует из технологии. В усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает общая обратная связь. Чем она мощнее, чем больший запас петлевого усиления, тем лучше компенсируются все искажения в усилителе… в том числе и выходное сопротивление. В усилителях на радиолампах глубина обратной связи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, являются скорее источниками тока, чем сопротивлениями).

Как следствие, ламповые усилители обладают отнюдь не низким выходным сопротивлением, а потому – смотрите раздел – в некоторой степени компенсируют негативные элементы в акустической системе и соединении с усилителем. Что мешает такое же реализовать в «транзисторном» исполнении?...

Выводы

Знаете, эта история с развитием схемотехники очень напоминает эволюцию советского общественного транспорта. В «застойные» времена автобусы благодаря слабым моторам медленнее набирали скорость, на дорогу у меня уходило 25-40 минут. В постперестроечный период парк автомобилей сменился, повысилась мощность мотора и эффективность тормозной системы. Как следствие, на дорогу стало уходить от получаса до нескольких часов, но речь не о том. Увеличение мощности двигателя привело к тому, что отчаянно ощущаешь себя «дровами».

Понимание того, что водители этого вида транспорта являются профессионалами своего дела, плохо скрашивают ощущения старт-стопного режима в пробке. Быстрый разгон и малое время торможения – отличный способ двигаться в потоке, вот только о дровах забыли? Более мощная динамика автобуса позволяет быстрее доставить до места, но кому нужна экономия пяти процентов времени такой ценой?

Со схемотехникой усилителей схожая беда. Да, транзисторы эффективнее и лучше радиоламп. При конструировании аппаратуры можно получить сверхнизкий уровень гармоник и других характеристик усилителя (выходное сопротивление, скорость нарастания выходного сигнала, максимальная частота и прочие), но с какими последствиями? Дело не в количестве компонентов, SOT-23 или интегральные решения занимают мизерное место, по сравнению с одной единственной радиолампой. Проблема кроется в подходе – в борьбе за «красивые цифры» часто забывают о главном - качестве звучания.

Довольно показательно отношение разных фирм к схемотехнике усилителей – японские модели обладают лучшими техническими характеристиками, чем европейские разработки, но звучат хуже. Данное мнение было высказано авторитетным источником, но довольно давно, поэтому ссылки привести не могу. Впрочем, я с ним согласен, мои аргументы изложены в этой статье. Радиолампы – атавизм, которому пора уходить. Просто надо использовать нормальные схемные решения, учитывать всё нюансы и проблемы, а не гнаться за красивыми цифрами. Согласны вы с этим или нет, выбор за вами. Пожалуйста, сделайте его осмысленно.