Вместо усложнения схемы акустической системы без гарантии улучшения качества звучания системы «усилитель + акустическая система» представляется целесообразным попробовать отказаться от глубокой общей отрицательной обратной связи в усилителе. Так и получилось в истории развития звукотехники. Именно с таким, хотя, по-видимому, и не вполне осознанным подходом, связано явление в развитии звукотехники, обозначаемое термином «ламповый ренессанс».
В середине прошлого века доминирование инженерно-технического мышления при конструировании аудиоаппаратуры привело к тому, что совершенствование усилителей шло по пути снижения общего коэффициента гармонических искажений, измеряемых с помощью синусоидального сигнала при работе усилителя на активную нагрузку. Снижение общего коэффициента гармоник до значений 0,1 % и менее достигалось глубокой отрицательной обратной связью. Глубокая отрицательная обратная связь понижает выходное сопротивление. Поэтому одновременно возрастал демпинг-фактор — отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. Рост демпинг-фактора однозначно воспринимался как прогресс в развитии усилителей.
При высоком выходном сопротивлении усилителя воспроизведение самого нижнего частотного диапазона затрудняется тем, что после подачи низкочастотного импульса головка громкоговорителя продолжает колебаться, но уже не с частотой сигнала, а со своей собственной резонансной частотой. Низкое выходное сопротивление усилителя приводит к быстрому затуханию этих колебаний.
Однако для введения 00ОС требовался больший исходный коэффициент усиления, т. е. надо было наращивать число каскадов. Но это, в свою очередь, увеличивало искажения не охваченного ОООС тракта. Такая тенденция в конструировании аудиоусилителей началась не в транзисторную эпоху, а гораздо раньше, в 50-е годы, когда в схемотехнике господствовали лампы, и связана с ламповой схемой двухтактного усилителя, известной как схема Вильямсона. Эта схема содержала несколько каскадов:
- входной усилитель напряжения, фазоинверсный каскад и затем два работающих в противофазе плеча, в каждом из которых имелся каскад усиления напряжения (т. н. драйверный каскад);
- выходной каскад, нагруженный на выходной трансформатор.
В выходном каскаде предпочитали устанавливать не триоды, имевшие минимальный коэффициент гармонических искажений, а пентоды (EL34, 6550, КТ88), имевшие больший коэффициент усиления по напряжению. Появление и широкое распространение в аудиотехнике транзисторов серьезно усугубило тенденцию к применению ОООС. С транзисторами получить высокий коэффициент усиления стало проще, а все искажения, как казалось, устраняются введением обратной связи. Транзисторные усилители стали компактны, ток покоя выходных транзисторов уменьшали до минимума. Благодаря этому уменьшались и габариты, и среднее энергопотребление при растущей мощности. Возникающие при этом искажения «убивали» обратной связью.
Коэффициент гармонических искажений достигал небывало низких, а демпинг-фактор — небывало высоких значений. Магические цифры «2 х 100 Вт, 0,001 % (КНИ), 1000 (демпинг-фактор)» ласкали взгляд (но не слух!) покупателей аудиоаппаратуры и пополняли банковские счета ее производителей. Эта тенденция породила еще один феномен, отдаливший любителей музыки от музыки при воспроизведении звукозаписей. Получили распространение малогабаритные акустические системы, в которых динамические головки имели диаметр диффузора примерно 10 см. За счет целенаправленного увеличения массы подвижной системы такие головки могут иметь относительно низкую резонансную частоту.
Недостаток эффективности из-за возросшей массы компенсировали большей амплитудой колебаний. И, соответственно, большими искажениями. Если низких частот все равно мало — воспользуемся регуляторами тембра, т. е. поднимем усиление на нижних частотах раз в десять. Тогда почему не поднять и на высоких? А для самых «искушенных» установим 7-полосный эквалайзер! Сформировалось мнение, что хороший усилитель должен иметь много регулировок. Возникло ощущение, что для полноценного воспроизведения музыки в жилом помещении необходима мощность усилителя 50 Вт на канал и более, хотя раньше, с обычными, но большими динамиками, такой мощности хватало для озвучивания танцплощадки.
Хотелось создать аппаратуру High Fidelity (Hi-Fi), т. е. высокого качества, а получили феномен «транзисторного» звучания:
- свист и шелест вместо звона;
- сухость вместо мягкости;
- «буханье» вместо тонального баса и т. д.
Многие в те годы понимали неверность такого пути. Например, в 1986 г. вышла книга «Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения, в которой просто и четко было написано:
«В последние годы резко улучшились параметры высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуры. Особенно заметна тенденция к снижению нелинейных искажений. Появились усилители, у которых коэффициент гармоник меньше 0,0005 %. Достижение чрезвычайно малых нелинейных искажений связано с применением большого числа транзисторов с высоким коэффициентом усиления и установлением глубокой отрицательной обратной связи. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению динамических (скоростных) характеристик, заключающемуся в том, что резкий скачок напряжения на выходе запаздывает по отношению к вызывающему его скачку на входе.
Это приводит к «жесткому», «транзисторному» звучанию». Эти рассуждения ясно указывают на присутствие т. н. переходных интермодуляционных искажений при работе неидеального усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, на идеальную резистивную нагрузку. С учетом реальной комплексной нагрузки, каковой является головка громкоговорителя, нарушение достоверности передачи импульсных сигналов усилителем с глубокой общей отрицательной связью дополнительно увеличится.
У глубокой отрицательной обратной связи есть и еще одно отрицательное последствие. Оказалось, что общая отрицательная обратная связь подавляет гармоники низких порядков, но при этом вызывает появление широкого набора гармоник высших порядков. Чтобы это увидеть, требуется не простое измерение общего коэффициента гармоник, а детальный анализ спектра выходного сигнала. Сегодня расширение спектра гармоник измерить намного проще, чем зарегистрировать искажение импульсного сигнала при работе на реальную нагрузку.
Компьютерные программы совместно со звуковой картой делают такие измерения доступными любому радиолюбителю, не говоря о профессиональных инженерах. Если бы в 60-е годы прошлого столетия инженерам были доступны анализаторы спектра, конструирование аудиоусилителей, по-видимому, развивалось бы по иному пути. Надо добавить: и если бы в те годы был сформулирован критерий Чивера о том, что спектр гармоник звуковоспроизводящей аппаратуры должен быть ниже аурального спектра гармоник. Но поскольку персональных компьютеров не было, а Даниел Чивер, по-видимому, в те годы, даже еще и не родился, получилось то, что мы наблюдаем последние десятилетия.
Массовый спрос продолжал править бал на рынке аудиоаппаратуры. Дальше — больше. «Поскольку аппаратура не воспроизводит тонких нюансов голоса, будем «раскручивать» средних, но эффектных исполнителей», — рассуждали продюсеры. «А голос подтянем электроникой», — поддерживали их инженеры. Если барабаны при звуковоспроизведении не «поют», а стучат, можем заменить их электронной «drum-машиной», если от басовых инструментов остается только буханье — заменим их электроникой. Когда слушаете такие фонограммы, попробуйте ответить на вопрос:
Как выглядит музыкальный инструмент, издающий «бухающие» и «стукающие» звуки? И наконец, апофеоз «музыкальной трагедии» — живое исполнение начали подменять прокручиванием «подтянутых» фонограмм во время концертов! То, что произошло впоследствии, сейчас представляется вполне закономерным. Произошел «ламповый ренессанс». Транзисторные схемы с фантастически высокими электрическими характеристиками при работе на резистор, подключенный вместо громкоговорителя, стали постепенно вызывать разочарование аудиофилов.
Разочарование возникло из-за несоответствия высоких электрических характеристик и реально воспринимаемых музыкальных, акустических параметров. Ведущее место в секторе аудиофильской аппаратуры, т. е. в аппаратуре верхнего ценового диапазона стали постепенно занимать ламповые системы, причем построенные не по схеме Вильямсона, содержащей как минимум 6 ламп, а по старым добрым схемам, преимущественно однотактным, 2—3-каскадным, и без общей отрицательной обратной связи.
Важно подчеркнуть, что произошло не столько возвращение к ламповой элементной базе, сколько переход к минимальной протяженности усилительного тракта и отсутствию общей отрицательной обратной связи.
Лампы без ОООС «звучат»! Для многих ламповых триодов коэффициент гармоник не превышает 1—2 %, причем эта величина определяется второй гармоникой, присутствует также третья гармоника, а гармоники более высоких порядков отсутствуют. А вот идеология построения транзисторных схем усиления звука без глубокой общей отрицательной обратной связи до сих пор находится в недостаточно развитом состоянии.
Автору представляется, что именно отказ от общей отрицательной обратной связи в оконечном блоке усилителя, непосредственно нагруженном на акустическую систему, развитие соответствующей схемотехники и совершенствование полупроводниковой элементной базы являются ключевыми в лампово-транзисторном «соревновании», происходящем на наших глазах.Попробуем сравнить типичный хороший ламповый усилитель с типичным хорошим транзисторным усилителем. Стоимость таких усилителей на рынке аудиоапппаратуры составляет от 1500 до 5000 долл. США.
Обратим внимание на отличия, которые могут помочь выявить причину различии в звучании ламповых и транзисторных усилителей. Рассмотрим возможности приближения транзисторных устройств по принципам построения и количеству элементов к ламповым с целью приближения их качества звучания к ламповым усилителям.
Параметры типичных ламповых и типичных транзисторных усилителей ценовой категории 1500—5000 долл. США
Анализируя табл. 2.1, можно заметить следующее. Во-первых, мощность ламповых усилителей в среднем примерно в 5 раз ниже мощности транзисторных аппаратов. Во-вторых, суммарный коэффициент гармоник ламповых усилителей в десятки и даже сотни раз выше, чем транзисторных усилителей. В-третьих полоса частот лампового усилителя обычно уже, чем у транзисторного.
Полоса пропускания ламповых усилителей ограничивается выходным трансформатором. Лампы способны усиливать сигналы в более широкой полосе частот, чем транзисторы. Именно поэтому лампы сохраняют свои позиции в высокочастотной аппаратуре вне связи с ламповым ренессансом в аудиотехнике.
В-четвертых, выходное сопротивление ламповых усилителей в десятки и более раз выше, чем транзисторных. Высокое выходное сопротивление может привести к «рыхлому», нечеткому воспроизведению басов. Для ламповых усилителей характерно малое число элементов в звуковом тракте, меньшее число элементов в усилителе в целом (но при этом в среднем значительно больший вес — часто более 1 кг на 1 Вт).
Читатель, по-видимому, заметил, что сравнение проведено не вполне корректно: сравниваются ламповые усилители мощностью менее 10—20 Вт и транзисторные усилители мощностью 50—100 Вт. Однако, во-первых, такие усилители находятся на рынке аудиофильской аппаратуры в одной ценовой категории, во-вторых, качественные транзисторные усилители мощностью менее 50 Вт практически отсутствуют на рынке.
И, наконец, хорошо известно, что ламповые усилители обеспечивают сопоставимый с транзисторными усилителями уровень громкости при прослушивании музыки при гораздо меньшей номинальной паспортной мощности, измеряемой при подаче на вход стационарного синусоидального испытательного сигнала. Эта особенность восприятия звукозаписей подробно обсуждается далее в этой главе в разделе 2.4 («Мягкое ограничение с ростом уровня выходного сигнала»).
Как видно из таблицы, все объективные параметры транзисторного усилителя выше, чем лампового. Однако при субъективных оценках усилителей по достоверности передачи музыки, включая формирование пространственного звукового поля в стереофонических системах звуковоспроизведения, в большинстве случаев хороший ламповый усилитель уверенно «переигрывает» хороший транзисторный.
При этом используются такие характеристики восприятия как «прозрачность», «динамичность», наполненность, хорошая звуковая сцена, «певучесть». Последняя, однако, может быть связана с присутствием второй гармоники в выходном сигнале. Иногда, говоря о звучании ламповых усилителей, говорят о некоторой рыхлости, размытости басов, иногда о навязчивых средних частотах. Оба недостатка связаны с высоким выходным сопротивлением усилителя.
Наиболее приветствуются аудиофилами ламповые усилители с однотактным оконечным каскадом, работающим в режиме класса А. На рынке представлены стереофонические усилители этого типа, цена которых может достигать и даже превышать 20 тыс. долл. США при выходной мощности до 20 Вт на канал. Таким образом, аудиофилам предлагается заплатить до 1 тыс. долл. США за 1 Вт выходной мощности!
К таким аппаратам относится, например, ламповый усилитель «LAMM ML2.1» (США) с советскими лампами 6СЗЗС в выходном каскаде. Суммарный КНИ усилителя — 0,7 % при мощности 1 Вт и 3 % при мощности 18 Вт. Стоимость — 36 тыс. долл. США. Экстремальный случай — усилитель «Ongaku» фирмы «Audio Note» стоимостью более 100 тыс. долл, с использованием провода из чистого серебра в выходных трансформаторах. Укажем для сравнения другой, нижний, ценовой предел: 1 долл. США за 1 Вт выходной мощности усилителей для клубов и дискотек с мощностью несколько сотен ватт.
В усилителях класса А через выходную лампу и первичную обмотку выходного трансформатора при отсутствии управляющего сигнала на сетке в цепи катод-анод выходной лампы протекает непрерывно ток величиной 50—100 мА, а при появлении сигнала величина этого тока модулируется изменением напряжения на сетке лампы. Ток величиной 100 мА при напряжении питания 300—400 В означает 30—40 Вт непрерывно потребляемой электрической мощности. КПД усилителей класса А составляет примерно 10 %. В таком же режиме работают и лампы (иногда всего одна!) в предварительном каскаде усиления с той разницей, что величина анодного тока обычно не превышает 10 мА.
На рынке аудиофильской аппаратуры представлены также ламповые усилители с двухтактным выходным каскадом, работающим в режиме В, или в близком к нему режиме АВ. В этих усилителях при отсутствии сигнала ток выходной лампы весьма мал, а при появлении сигнала он сильно увеличивается. Обычно двухтактный выходной каскад применяют для увеличения мощности. Представленные на рынке модели имеют мощность от 10 Вт на канал при стоимости от 1500 долл. США до 100 Вт на канал при стоимости более 3000 долл. США.
Серьезные указания на скрытые особенности ламповых усилителей содержатся в спектре гармонических искажений. Спектр гармонических искажений обычно не приводится в спецификации производителя, однако в последние годы эта характеристика усилителя подвергается тщательному анализу в различных Hi-Fi-изданиях. Характерные примеры гармонических искажений ламповых и транзисторных аппаратов приведены на рис. 2.3, где показаны уровни мощности гармоник в спектре выходного сигнала по результатам тестирования экспертами журналов «Салон Audio Video» и «Stereofile».
Присмотримся к этим графикам внимательнее. Начнем с транзисторных усилителей (правая часть рис. 2.3). На рис. 2.3, г показан спектр гармоник усилителя Krell 400 при мощности 6,5 Вт. Этот усилитель весом 15 кг и стоимостью 3150 долл, имеет «номинальную» мощность на канал 200 Вт на нагрузке 8 Ом при суммарном коэффициенте нелинейных искажений КНИ = 0,04 %.При мощности 6,5 Вт, однако, суммарный КНИ = 0,3 %, а спектр гармоник имеет весьма характерный вид: четные гармоники отсутствуют, зато нечетные просматриваются до 21-ой!
Рис. 2.3. Спектральное распределение коэффициента гармонических искажений транзисторных и ламповых усилителей:
а — «однтотактник» на триоде SV572; б—«однотактник» на триоде 300В; в — «двухтактник» на тетродах КТ66; г—усилитель «Krell», 6,5 Вт; д—усилитель «Krell», J 00 Вт; е—усилитель «Densen»
Такая картина типична для двухтактных транзисторных усилителей, работающих в режиме В: четные гармоники подавлены вследствие двухтактной работы транзисторов выходного каскада, нечетные понижаются с помощью глубокой общей отрицательной обратной связи, которая, однако, расширяет спектр гармоник. Кроме того, в режиме В сильно увеличиваются искажения с уменьшением мощности. Именно поэтому результирующий КНИ = 0,3 % многократно превышает КНИ = 0,04 %, заявленный производителем.
На рис. 2.3, д показан спектр гармоник того же усилителя при выходной мощности 100 Вт (измеренный, правда, не на частоте 1 кГц, а на частоте 50 Гц). Суммарный КНИ уменьшился до 0,09 % и приблизился к цифре, указанной производителем. Однако «шлейф» гармоник по-прежнему необычайно широк: отчетливо видны 17 гармоник, причем нечетные выше четных.Доминирование нечетных гармоник (следствие двухтактного выходного каскада) и их широкий спектр (следствие глубокой общей отрицательной обратной связью) в течение как минимум 20 лет считаются основными признаками транзисторных усилителей, обусловливающих неестественное, т. н. транзисторное звучание.
В попытке сузить спектр гармоник, обеспечить «разумное» (как бы «ламповое»?) соотношение четных и нечетных гармоник современные конструкторы разрабатывают новые усилители, применяя различные схемотехнические приемы. Пример спектрального распределения коэффициента гармонических искажений такого усилителя представлен на рис. 2.3, е. Усилитель Densen Beat 150 стоимостью более 5 тыс. долл. США имеет доминирующую вторую гармонику, при этом все гармоники, начиная с 4-ой, имеют уровень меньше -90 дБ, т. е. ниже 0,003 %. По сообщению журнала «Stereofile» это достигнуто благодаря отказу от общей отрицательной обратной связи.
Обратимся теперь к ламповым аппаратам. Рис. 2.3, а представляет спектр гармоник однотактного лампового усилителя Сагу Audio Design CAD-572SE класса А с выходными прямонакальными триодами SV572 Санкт-Петербургского предприятия «Светлана». При общем относительно высоком значении КНИ = 0,4 % отчетливо видно резкое уменьшение относительного вклада гармоник с ростом их номера. Этот аппарат номинальной мощностью 20 Вт на канал предлагается по цене 2500 долл. США.
Рис. 2.3, 6 представляет спектр искажений другого однотактного лампового усилителя класса А с прямонакальными триодами на выходе — лучшими, по мнению многих экспертов, лампами 300В. Мощность усилителя Cayin А-300В — 8 Вт канал, а масса равна 25 кг. Это — без преувеличения «честный» (и по качеству, и по цене) ламповый однотактник начала XXI века. В этом усилителе гармоники выше четвертой вообще не детектируются.
Достаточно легко провести проверку рассмотренных усилителей на соответствие критерию Чивера: спектр гармоник усилителя должен быть ниже спектра ауральных гармоник (собственных гармоник человеческого уха). Ауральный спектр гармоник показан на рис. 2.3 для всех усилителей пунктиром. Выбран ауральный спектр для уровня 100 дБ. Четко видно, что ниже аурального спектра находятся гармоники только усилителя на лампах 300В (рис. 2.3, б). Для лампового однотактника на рис. 2.3, а первые 5 гармоник находятся ниже аурального спектра.Для усилителя Densen первые четыре гармоники удовлетворяют критерию Чивера. Для усилителя Krell, несмотря на 3-тысячную цену в долларовом выражении, при мощности 6,5 Вт ни одна гармоника выше второй не укладывается внутрь аурального спектра.
Следует отметить, что на волне лампового ренессанса определенную популярность стали приобретать и двухтактные ламповые усилители. Однако, надо отметить, что двухтактный ламповый усилитель, работающий в режиме А, обеспечивает лишь двухкратное увеличение мощности по сравнению с однотактным. Многие разработчики, например, фирма Audio Note, предпочитают использовать не двухтактное, а параллельное однотактное включение двух выходных ламп. Значительное увеличение мощности можно получить, если применить в двухтактном ламповом выходном каскаде режим, близкий к режиму В. Примером может служить новый усилитель Quad II Classic Integrated (рис. 2.3, в).
Заявленная производителем мощность — 15 Вт на канал при КНИ = 0,06 %. Видно, однако, что в этом аппарате спектр гармоник значительно шире, чем в ламповых однотактниках, представленных на рис. 2.3, а, б. Он весьма близок к хорошему транзисторному усилителю Densen Beat 150 (рис. 2.3, е). Надо отметить, что в 60-е — 70-е годы прошлого столетия ламповые усилители с двухтактным выходным каскадом воспринимались не просто как более мощная и экономичная (не по стоимости, а по КПД) альтернатива однотактным ламповым усилителям, а еще и как шаг вперед на пути повышения качества звуковоспроизведения. Это связано с тем, что в двухтактном выходном каскаде подавляются четные гармоники, возникающие на выходе каждой из двух ламп выходного каскада при преобразовании исходного сигнала.
Обратите внимание, что именно четные (точнее — только вторая) гармоники определяют суммарный коэффициент гармонических искажений элементарных ламповых каскадов (см. рис. 2.3, а, б). Однако в наше время, в эпоху аудиофильского лампового ренессанса, объективные электротехнические параметры оказываются вторичными по отношению к субъективному восприятию качества аппаратуры. Поэтому двухтактные ламповые усилители (стоимостью 2—5 тыс. долл. США за аппарат мощностью 10—30 Вт на канал) следует рассматривать сегодня как попытку продвижения на рынок психологически привлекательного лампового продукта.
При этом расчет делается на то, что большая мощность и более низкий коэффициент гармонических искажений двухтактного усилителя по сравнению с однотактным повысят вероятность его продажи при одновременном снижении себестоимости. Себестоимость понижается за счет более высокого КПД (можно уменьшить габариты силового трансформатора) и лучшего подавления пульсаций (можно уменьшить емкость высоковольтных конденсаторов и индуктивность дросселя в блоке питания).
Хотя некоторые транзисторные усилители характеризуются производителем как усилители класса А, реально речь идет о режиме АВ с повышенным током покоя, позволяющим сохранить класс А при малых уровнях мощности, обычно порядка 1 Вт. Такие усилители в режиме молчания потребляют мощность порядка 20—40 Вт на канал. Транзисторные усилители с полноценным режимом класса А во всем номинальном диапазоне мощности весьма редки.
