Следует упрощать конструкцию усилителя до мыслимого предела и тщательно отбирать детали и элементы высочайшего качества, чтобы воспроизвести «качество живого звука», свободного от «механичности». Это наиболее важные соображения при создании идеального усилителя.
Хирояши Кондо, «Audio note»
Как уже отмечалось, в ламповых усилителях мощности высшей ценовой категории, олицетворяющих ламповый ренессанс в аудио-технике, используются схемы, не содержащие общей отрицательной обратной связи (ОООС). Основные конструктивные недостатки усилителей с ОООС состоят в следующем. Во-первых, в усилитель вводятся дополнительные каскады усиления, необходимые для работы обратной связи. Чем глубже обратная связь, тем больше должен быть запас по усилению. Дополнительные каскады увеличивают как линейные (неравномерность амплитудно- частотной и фазочастотной характеристик), так и нелинейные искажения исходного усилительного тракта.
Во-вторых, исходный усилитель (до замыкания цепи обратной связи) имеет, как правило, частоту среза ниже желаемой полосы пропускания усилителя. Упомянутая только что избыточность каскадов усиления прямо способствует этому. В результате обратная связь получается частотно-зависимой: ее глубина уменьшается с ростом частоты. Это означает, что для конкретного музыкального импульса, имеющего обычно достаточно широкий частотный спектр, разные его компоненты будут обрабатываться в результате действия обратной связи по-разному.
Более того, уменьшение усиления с ростом частоты неизбежно влечет за собой появление фазового сдвига, увеличивающегося с частотой. Это означает, что уже после первого прохода сквозь такой усилительный тракт выходной сигнал будет отличаться от входного, даже если коэффициент нелинейных искажений равен точно нулю.
Речь идет о линейных искажениях, изменяющих форму исходного импульса вследствие неравномерности фазочастотной характеристики.
Влияние фазовых искажений на форму исходного импульса иллюстрируется на рис. 3.1. На рис. 3.1 вверху сплошной линией показан гипотетический музыкальный сигнал, состоящий из основного тона частотой 100 Гц и набора обертонов: последовательно убывающих по амплитуде 2, 4, 8, 16, 32 и 64-ой гармоник. Такой спектр имеют простые электронно-музыкальные инструменты. Спектр сигнала показан внизу в виде вертикальных «столбиков».
Рис. 3.1. Изменение формы импульса при прохождении через усилительный тракт с конечной полосой пропускания. Вверху: исходный импульс (сплошная линия) и прошедший импульс (пунктир). Внизу: спектр импульса (вертикальные линии), амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики усилительного тракта
Предполагается, что этот сигнал один раз проходит через усилительный тракт, у которого спад коэффициента усиления 6 дБ/октаву и сдвиг фазы начинаются после 500 Гц. Таким образом, верхняя граничная частота усилителя в 5 раз выше частоты музыкального сигнала. Однако вследствие нелинейной фазо-частотной характеристики разные компоненты сигнала приобретают разный фазовый сдвиг, причем высокочастотные компоненты еще и ослабляются. Форма импульса искажается при отсутствии в тракте гармонических искажений! Прошедший импульс, нормированный по амплитуде, показан пунктиром в верхней части рис. 3.1.
Видимое на графике изменение формы импульса будет восприниматься на слух как потеря «воздушности» (смазывание тонких деталей, определяемых высокочастотными компонентами сигнала), а также как искажение «динамики» звука из-за примерно 20 %-ного и более отклонения формы от исходной для отдельных моментов времени. Узость полосы пропускания исходного усилителя и неравномерность его фазовой характеристики усугубят ситуацию после замыкания цепи отрицательной обратной связи (ООС). Коэффициент ООС будет частотно зависимым, а нарушение фазовой целостности при проходе через тракт сделает невозможным восстановление исходной формы импульса с помощью ООС. При этом измерения, проведенные в стационарном режиме с использованием гармонического синусоидального сигнала, никаких искажений не выявят: синусоидальный сигнал останется синусоидальным.
В-третьих, общая отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает общий коэффициент нелинейных (гармонических) искажений, порождает гармоники, которые отсутствовали на выходе усилительного тракта до включения ООС. Об этом написано много разными авторами.
Мы воспользуемся результатами из уже упоминавшейся диссертации Даниэла Чивера (см. стр. 31). Рассчитанное им изменение спектра гармоник гипотетического усилителя, в исходном спектре которого до включения ОООС, кроме основной гармоники, присутствует только вторая гармоника, показано на рис. 3.2.
В этом усилителе предполагается наличие только второй гармоники величиной 10 % (-20 дБ) в спектре на выходе исходного усилителя, т. е. усилитель имеет параболическую,
квадратичную нелинейность, присущую лампам и полевым транзисторам (режим I). Введение небольшой обратной связи приводит к уменьшению второй гармоники и одновременно к резкому увеличению высших гармоник (режим II). Такой режим часто используют в промышленных, но не «аудиофильских», ламповых двухтактных усилителях. Одновременно уменьшается выходное сопротивление, что благоприятно влияет на артикулированность басовых звуков. Объективные характеристики улучшаются, но естественность звучания снижается.
Режимы III и IV соответствуют типичному транзисторному усилителю, где вводится глубокая общая отрицательная обратная связь глубиной более 40 дБ, постепенно ослабевающая с ростом частоты из-за снижения коэффициента усиления исходного, не охваченного обратной связью, усилителя. Эксперименты Д. Чивера с ламповым однотактным усилителем подтвердили результаты моделирования.
В-четвертых, реальный усилитель всегда подключен к динамической головке или акустической системе со сложной зависимостью сопротивления от частоты и большой неравномерностью этой зависимости. Реальное воспроизведение музыки является, по сути, непрерывным развитием во времени переходных процессов в системе «усилитель*громкоговоритель». Этот процесс не оптимизируется обратной связью. Наоборот, обратная связь многократно его усложняет.
В дополнение ко всему, электромагнитные импульсы, генерируемые в катушке громкоговорителя, вызывают импульсные токи через выходные клеммы в силу наличия у усилителя выходного сопротивления. Чем больше глубина ООС, тем ниже выходное сопротивление, а значит — больше эти токи. Они засоряют тракт обратной связи, подмешиваются к сигналу и приводят к дополнительным искажениям, не возникающим в случае чисто активной нагрузки.
В качестве примера реального транзисторного тракта усиления, разработанного в расчете на применение глубокой ОООС, на рис. 3.3 показаны АЧХ и ФЧХ широкополосного интегрального операционного усилителя ОРА604 без ОООС. Как видно, его полоса пропускания составляет всего 200 Гц по уровню -3 дБ, а фазочастотная характеристика сильно неравномерна в полосе от 100 до 3000 Гц, т. е. там, где как раз сосредоточены основные частоты музыкальных звуков и где в наибольшей степени проявляется стереоэффект при воспроизведении.
Отметим, что этот усилитель считается широкополосным. Коэффициент усиления на частоте 100 кГц равен 42 дБ, т. е. более 100. Он рекомендован для применения в серьезной аудиотехнике.
Например, микросхема ОРА604 установлена в выходном каскаде CD-проигрывателя «Evolution» фирмы «Creek» (Великобритания) стоимостью 1 тыс. долл, и во входном каскаде интегрального усилителя «SV-234» фирмы «Vincent» стоимостью более 1,5 тыс. долл, (журнал «Stereo&Video», июнь 2007).
Автор не является категоричным противником использования отрицательной обратной связи в звукоусилении. ОООС имеет право на использование в высококачественных усилителях, но при нескольких условиях:
- полоса пропускания усилителя, не охваченного ОООС, должна быть шире рабочего диапазона, а его фазовая характеристика в рабочем диапазоне должна быть линейной;
- глубина ОООС не должна быть большой, т. е. коэффициент усиления УНЧ с обратной связью не должен быть во много раз меньше коэффициента усиления исходного усилителя, не охваченного ОООС;
- нагрузка усилителя с ОООС не должна быть комплексной, т. е. должна быть чисто активной, насколько это возможно.
Первые два условия означают, что включение ОООС не должно рассматриваться как необходимое условие для работы усилителя. Третье условие означает: нельзя охватывать отрицательной обратной связью выходной каскад усилителя, непосредственно работающий на громкоговоритель!
К сожалению, в литературе часто встречаются весьма категоричные высказывания сторонников чисто ламповой аппаратуры и не менее воинственные заявления сторонников чисто транзисторной техники. Первые обычно избегают технических терминов, используя впечатления от прослушивания, за что вторые активно обвиняют поклонников лампового звука в технической неграмотности и непонимании достоинств отрицательной обратной связи.
На взгляд (и слух) автора этой книги истина, как это часто бывает, находится посередине. Использование исходного (т. е. при работе без общей обратной связи) широкополосного и максимально фазолинейного транзисторного тракта с внешней ОООС при работе на чисто активную нагрузку (например, в предварительных каскадах усиления напряжения) может оказаться вполне приемлемым для аппаратуры высшего уровня. Однако надо понимать, что на нынешнем уровне развития полупроводниковой элементной базы этим критериям удовлетворяет весьма ограниченный набор интегральных маломощных операционных усилителей (например, AD825, возможно LM7171, AD797), причем не самых дешевых и не самых доступных.
Можно рекомендовать изготавливать предварительные усилители напряжения на подобных микросхемах (автор проверял и подтверждает хорошее качество звучания), или, еще лучше — на дискретных элементах. Что касается глубокой ОООС в выходных каскадах транзисторных усилителей, то, по мнению автора настоящей книги, проще и эффективнее от нее отказаться чем бороться с ее отрицательными последствиями.
Пример 1
Микросхема AD825 — редкий пример интегрального операционного усилителя с полосой пропускания до охвата ОООС шире 15 кГц. Его амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики показаны на рис. 3.4. Предлагаем читателю сравнить их с характеристиками ОУОРА604 (рис. 3.3).
Пример 2
Схема очень простого, но хорошо звучащего усилителя мощности полностью на полупроводниковых компонентах показана на рис. 3.5. Усиление напряжения осуществляется усилителем с глубокой ОООС на микросхеме AD825, у которой при разомкнутой ОООС спад усиления начинается после 10 кГц, а изменение фазового сдвига — после 16 кГц (рис. 3.4).
Выходной каскад — двухтактный усилитель тока на четырех транзисторах (класс А В) не охвачен общей обратной связью. Схема не требует настройки, кроме подбора транзисторов выходного каскада по коэффициенту усиления для обеспечения нулевого потенциала на выходе, и выдерживает короткое замыкание на выходе. Выходные транзисторы VT3, VT4 установлены на индивидуальных радиаторах площадью не менее 300 см². Транзисторы VT1 и VT2 установлены на тех же радиаторах через изолирующие прокладки: VT1 совместно с VT4, VT2 — с VT3.
При повторении желательно использовать полностью раздельное питание входного и выходного каскадов от независимых вторичных обмоток, а еще лучше — от различных силовых трансформаторов. Питание входного каскада должно быть стабилизировано, например, с помощью микросхемных интегральных стабилизаторов LM337, LM317. Все элементы должны быть максимально высокого качества. Можно попробовать заменить ОУ AD825 на AD797. Усилитель звучит лучше многочисленных схем на основе мощного интегрального ОУ фирмы «National Semiconductors» LM3886 с ОООС, лучше многих ламповых однотактных усилителей (например, 6Н23 + 6ПЗС, 6Н8С + 2 х 6ПЗС), однако уступает в динамике и «вовлеченности», «открытости» ламповому однотактнику 6С2С + КТ88 (рис. 2.10)
Максимальная мощность этого усилителя ограничивается напряжением питания операционного усилителя (Umax = ±18 В) и составляет около 25 Вт на нагрузке 4 Ом и 12,5 Вт на нагрузке 8 Ом. Этого вполне достаточно для комфортного прослушивания музыки в помещении площадью до 30 м². При использовании операционного усилителя с линейной фазо-частотной характеристикой ОРА551 или ОРА552 фирмы «Вигг Brown» напряжение питания можно увеличить до ±28 В, а выходного каскада — до ±30—35 В, при этом выходная мощность возрастет пропорционально квадрату напряжения питания.
Однако «прозрачность» звучания и звуковая сцена несколько ухудшаются, что коррелирует со спадом усиления этих микросхем, начиная с 100 Гц (у AD825 спад начинается после 10 кГц). Другие распространенные и популярные среди радиолюбителей микросхемы, в том числе с повышенным значением допустимых напряжений питания (например, NE5532 c Umax = ±22 В, ОРА604 c Umax = ±25 В, ОРА445 с Umax = ±45 В), в данном усилителе не рекомендуются, a TL072 и им подобные использовать недопустимо. Необходимым параметром операционных усилителей, пригодных для работы в данной схеме, является не только широкополосность и линейность фазовой характеристики ОУ без ОООС, но и возможность работать на нагрузку порядка 1 кОм.
Пример 3
Можно построить транзисторный усилитель, в котором усиление сигнала по напряжению осуществляется без применения ОООС. При этом можно использовать схемотехнические решения, применяемые в интегральных операционных усилителях. Такой усилитель показан на рис. 3.6. Это разработка чешского конструктора- любителя Павла Мацуры (Р. Масига). Схема может использоваться как усилитель напряжения в составе усилителя мощности совместно с выходным каскадом — усилителем тока (например, с таким, как в усилителе на рис. 3.5).
Усилитель содержит входной дифференциальный каскад (транзисторы Ql, Q2), усилитель напряжения (Q3) и выходной двухтактный параллельный усилитель тока на транзисторах Q5, Q6, Q8, Q9, работающих в классе А. Схема выходного каскада аналогична таковому на рис. 3.5. На транзисторах Q4 и Q7 выполнены генераторы тока, задающие начальный ток транзисторам выходного каскада.
Такой усилитель имеет явные преимущества перед узкополосными интегральными ОУ. Но… в усилителе П. Мацуры — 9 нелинейных активных элементов (транзисторов) и в несколько раз больше пассивных элементов, которые, хотя и рассматриваются в идеале как линейные, но тоже могут вносить искажения. Плюс около сотни паяных соединений в случае применения печатной платы. В то же время, функция, выполняемая этим усилителем — усиление сигнала по напряжению в 10—50 раз — может быть реализована на одном триоде с «обвязкой» из трех деталей! Причем ламповый усилитель за счет более высокого напряжения питания будет иметь много кратный запас по максимальному выходному напряжению!
