Можно ли приблизить «транзисторное» звучание к «ламповому», вводя искажения. В поисках причины лучшего психоакустического восприятия музыкальных записей при использовании ламповых усилителей по сравнению с транзисторными усилителями многие конструкторы-самодельщики и профессионалы анализируют формально различия в параметрах как ламповых, так и транзисторных усилителей, ищут подобным способом пути улучшения звучания транзисторных усилителей.
Увеличение выходного сопротивления усилителя
Самое простое предложение — увеличить выходное сопротивление транзисторного усилителя до величины 2—4 Ом. Для этого достаточно просто последовательно с громкоговорителем включить резистор указанного сопротивления. При такой «доработке» в соответствии с распределением выходного напряжения между громкоговорителем и резистором уменьшается громкость звучания. При этом само звучание приобретает некоторую мягкость (можно сказать даже «рыхлость», размытость) при воспроизведении низкочастотных звуков, например, контрабаса или большого барабана.
Если искать возможность сравнения качества воспроизведения с ламповыми усилителями, то можно говорить о конкурентоспособности такого подхода по отношению к средним ламповым усилителям. Но ясность, воздушность, «открытость», динамизм, «осязаемость», «рельефность» звуков, присущие по-настоящему хорошим ламповым усилителям, при этом, увы, не воспроизводятся. Автор убедился в этом, используя относительно неплохой усилитель на интегральной микросхеме LM3886, а для сравнения — однотактный двухкаскадный ламповый усилитель мощностью около 10 Вт (рис. 2.10), условно рассматриваемый как «хороший», и двухтактный усилитель мощностью 10 Вт на лампах 6П14П и трансформатором ТН36 в качестве выходного, условно рассматриваемый как «средний».
Исходный самодельный усилитель на микросхеме LM3886 уверенно «переигрывал» транзисторные «Technics» и «Harman Cardon» ценовой категории 400—500 долл. США. Микросхемы LM3886 фирмы «National Semiconductors», ее предшественники LM1875, LM3876, а также последующая двухканальная версия LM4870 стоимостью 3—5 долл. США приобрели популярность не только у радиолюбителей, но и у профессиональных разработчиков. Так, например, фирма «Sacura Systems» (Япония) предлагает усилитель мощностью 25 Вт на канал по цене выше 1 тыс. долл. США на микросхемах LM1875, а фирма «Jeff Rowland» (США) — усилитель мощностью 300 Вт на канал с использованием 6 корпусов LM3886 в каждом канале (мостовое включение трех параллельных каналов усиления в каждом из стереоканалов) по цене 12 тыс. долл. США. Обе упомянутые разработки получили восторженные отзывы профессиональных экспертов и журналистов, а для радиолюбителей была написана даже специальная книга по разработке усилителей на этих микросхемах.
Создание «ламповых» предыскажений
Более серьезное предложение заключается в получении на выходе транзисторного усилителя спектра гармоник, близкого к таковому для лампового усилителя. Однако предлагается сделать это довольно примитивным, если не сказать грубым, способом. Предлагается установить на входе транзисторного усилителя ламповый предусилитель, который часто называют «облагораживающим». В транзисторных усилителях глубокая ОООС охватывает обычно весь оконечный усилитель, чувствительность которого составляет около 1 В. Это значит, что при использовании CD-проигрывателя или магнитофона никаких дополнительных каскадов усиления на входе не требуется. Введение лампового предусилителя в тракт потребует ослабления его выходного сигнала до начального уровня и таким образом понизит соотношение сигнал-шум.
Чтобы этого избежать, предлагают устанавливать на входе транзисторного усилителя не усилительный каскад, а катодный ламповый повторитель с единичным коэффициентом усиления по напряжению. Установка лампового каскада на входе транзисторного усилителя действительно может оказать некоторое положительное влияние на воспроизведение музыки за счет увеличения входного сопротивления, хотя повышает чувствительность к электромагнитным наводкам.
Формирование «ламповых» предыскажений с большим удельным вкладом второй гармоники может замаскировать (но не устранить!) нечетные гармоники на выходе транзисторного усилителя.
Такой прием используют не только радиолюбители, но и некоторые фирмы.
Рис. 2.11. Усилитель на мощных интегральных микросхемах с ламповым буферным каскадом на входе
Например, фирма «Vacuum State Electronics» (Австралия) предлагает усилитель на интегральных микросхемах LM3886 с входным ламповым буфером (катодный повторитель на лампе 6DJ8, аналог 6Н23П) по цене 1150 Евро. Фотография этого усилителя со снятой верхней крышкой показана на рис. 2.11. При самостоятельном изготовлении стоимость деталей такого усилителя в стереоварианте (без учета стоимости корпуса) не превысит 100 долл. США, включая силовой трансформатор (до 30 долл.) и качественный потенциометр «Alps» (25 долл.), а трудозатраты составят несколько рабочих дней.
Вынужден разочаровать любителей легких решений в звуковоспроизведении. Не только простое включение LM3886 совместно с ламповым буфером, но даже более «продвинутый вариант» не позволили получить звучание, близкое по естественности и динамичности к моему упомянутому 10-ваттному ламповому однотактному усилителю. Самый «продвинутый вариант» — мостовой усилитель* мощностью до 100 Вт на канал на паре LM3886 в инвертированном включении с использованием электролитических конденсаторов Elna Silmic в блоке питания, тороидального трансформатора мощностью 300 Вт, предельно краткого тракта обратной связи в виде резистора на ножках микросхемы и лампового буфера с использованием зарубежных ламп ЕСС88.
Завышенная по сравнению с выходной мощностью в несколько раз мощность силового трансформатора— одна из рекомендаций фирмы »Sacura Systems». Предельное укорочение проводников в цепи общей отрицательной обратной связи— рекомендация многих разработчиков.
Сравнение происходило в помещении площадью 25 м2 при одинаковых уровнях громкости. Ламповый усилитель явно обеспечивал более яркий, насыщенный, «выпуклый» звук. Правда, компоненты лампового усилителя при мощности в несколько раз меньшей, чем лампово-транзисторного «конкурента», стоят в несколько раз дороже (более 300 долл. США для лампового усилителя при использовании российских ламп КТ88 и выходных трансформаторов «Аудиоинструмент» в сравнении с примерно 120 долл. США для лампово-полупроводникового варианта).
«Мягкое» ограничение с ростом уровня входного сигнала
Еще одно предложение по приближению звучания транзисторных усилителей к ламповым состоит в использовании дополнительного преобразования входного сигнала в предварительных каскадах усиления с целью обеспечения т. н. «мягкого» ограничения. В ламповых усилителях с ростом мощности по достижении уровней, близких к максимальным, выходной сигнал не обогащен высшими гармониками. Применительно к синусоиде это означает «мягкое» (и на вид, и на слух) ограничение (рис. 2.12). В транзисторных усилителях наличие глубокой отрицательной обратной связи позволяет удерживать низкий суммарный коэффициент гармонических искажений с ростом выходной мощности.
Рис. 2.12. «Мягкое» и «жесткое» ограничение (clipping)
Но по достижении некоторого критического, порогового значения спектр выходного сигнала резко обогащается высшими гармониками, а суммарный коэффициент гармонических искажений увеличивается в тысячи раз (рис. 2.12). Различный характер искажений с ростом уровня сигнала приводит к различной зависимости общего КНИ от выходной мощности для лампового и транзисторного усилителей (рис. 2.13). На рис. 2.13, а ламповый усилитель имеет выходную мощность 7 Вт при коэффициенте гармоник около 2 % в полосе от 100 Гц до 10 кГц. Такой усилитель в стереоварианте может комфортно озвучить помещение площадью до 30 м2 при использовании акустических систем с чувствительностью не менее 90 дБ/Вт/м.
Рис. 2.13. Зависимость суммарного коэффициента гармонических искажений от мощности для лампового (слева) и полупроводникового (справа) усилителей
Отметим, что рост гармоник в спектре сигнала является естественным для музыкальных звуков: чем громче звук музыкального инструмента, тем больше в нем высокочастотных составляющих.
Транзисторный усилитель (рис. 2.13, 6) имеет номинальную мощность 68 Вт при КНИ < 0,004 % на частоте 1 кГц. Транзисторный усилитель, однако, в отличие от лампового, имеет возрастающий КНИ с ростом частоты. Начиная от 500 Гц, увеличение в 10 раз частоты приводит к увеличению в 10 раз КНИ (на рис. 2.13 не показано). Такое поведение типично для транзисторных усилителей с глубокой частотно-зависимой ОООС. Так как с ростом частоты глубина ОООС уменьшается, обратная связь уже не может обеспечить на высоких частотах такое же значение КНИ, как на низких частотах. Конечно, такой усилитель не сможет воспроизвести музыкальную запись с мощностью 60 Вт.
Разумная оценка средней мощности при прослушивании музыки — менее 10 Вт, чтобы обеспечить примерно 10-кратный запас по динамике и ни в коем случае не допустить жесткого ограничения на кратковременных пиках фонограммы. Для транзисторного усилителя с глубокой отрицательной обратной связью номинальную по электротехническим стандартам мощность следует рассматривать как максимальную применительно к прослушиванию музыкальных записей.
Если рекомендовать указанные усилители для прослушивания музыки, можно называть 3—4 Вт для лампового и 6—10 Вт для транзисторного с учетом негативного субъективного восприятия грубого резкого ограничения и динамического характера музыкальных произведений. Напомним, что типичное изменение уровня сигнала во время воспроизведения фонограммы составляет примерно 10 раз по отношению к среднему уровню.
Как видим, разница в реальной «музыкальной» мощности лампового и транзисторного усилителей составила 2—3 раза при 10-кратном различии их номинальных в электротехническом смысле мощностей. Есть много схемных предложений о введении в предварительные каскады усиления транзисторных усилителей устройств, обеспечивающих «мягкое» ограничение сигнала на входе оконечного усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью. Эти устройства отодвигают наступление жесткого, «транзисторного» ограничения сигнала в область больших амплитуд входного сигнала.
Легко видеть, что, во-первых, такие устройства заведомо создают дополнительные искажения, во-вторых, при этом происходит фактически уменьшение реального динамического диапазона. Это значит, что громкие звуки станут менее искаженными по тембру, но при этом более тихими.
Наконец, в транзисторных усилителях, в отличие от ламповых, не составляет труда поднять выходную мощность, увеличивая напряжение питания или используя мостовое включение. Тогда наступление жесткого ограничения по амплитуде просто отодвигается в область больших мощностей.
Таким образом, введение мягкого ограничения заранее ориентировано на приближение звучания транзисторного усилителя к ламповому за счет создания «как бы ламповых» искажений. Уважаемые любители подобных «трюков»! Поверьте, что не благодаря специфическим искажениям, а благодаря их отсутствию ряды поклонников лампового звука ширятся и крепнут год от года. Мягкое ограничение, часто называемое музыкантами «овердрайв» от английского «overdrive» — перегрузка, приемлемо и даже приветствуется в гитарных усилителях для создания певучести, экспрессии и известного психологического «драйва».
Рис. 2.14. Транзисторный усилитель с «как бы ламповым» звучанием
Однако такое намеренное искажение сигнала совершенно недопустимо при прослушивании записей симфонической, джазовой или хоровой музыки. На рис. 2.14 показана блок-схема гипотетического транзисторного усилителя, усовершенствованного с целью введения искажений, похожих на искажения ламповых усилителей. Концепция такого усилителя с «как бы ламповым» звучанием представляется тупиковой и бессмысленной.
Сторонники упомянутых поверхностных, «косметических» подходов к «ламповизации» транзисторных усилителей, обратив внимание на высокое выходное сопротивление, характерный спектр гармоник, зависимость спектра гармоник от амплитуды, мягкое ограничение в ламповых усилителях, «за деревьями не увидели леса», т. е. пропустили главное.
