Современная качественная аудиосистема имеет отличные характеристики и практически идеально звучит. Почти идеально, но не совсем. В аудиосистемах отсутствует один очень важный атрибут - атрибут, который мы называем «присутствием». В этой статье обсуждается альтернативная конструкция усилителя мощности со звуком, которого часто не хватает в обычных усилителях.

 

Даже в лучших имеющихся в продаже аудиосистемах отсутствует реальное присутствие - хотя звук может быть кристально чистым, вы никогда не перепутаете записанные голоса с реальными голосами или записанное пианино с настоящим фортепиано. Человеческое ухо сразу понимает разницу.

Как слушатели, даже как слушатели-аудиофилы, мы не беспокоимся об этом отсутствии присутствия, потому что мы пришли к выводу, что то, что мы слышим от современной аудиосистемы, настолько хорошо, насколько это возможно. Однако это неправда, и с этим не нужно мириться.

Отсутствие присутствия происходит почти полностью из-за искажений, присущих основной конструкции всех коммерческих усилителей мощности. Вы заметили, насколько четче звучат наушники? Это связано с тем, что они управляются маломощными усилителями.

 

«Блок-схема обычного усилителя класса B с двумя половинами дополнительного выходного каскада, представленными субусилителями X и Y». Из статьи Питера Бломли 1971 года  (PDF).

 

В этой статье я демонстрирую, что существует альтернативная конструкция усилителя мощности, которая практически не подвержена искажениям и обеспечивает звук, которого так не хватает обычным усилителям. Этот усилитель был разработан более сорока лет назад, но, несмотря на его превосходную точность, он никогда не производился в коммерческих целях.

Я расскажу об идее «чужих частот» и их влиянии на наше восприятие звука. Затем я покажу, как этот оригинальный и по-настоящему пригородный усилитель успешно минимизирует искажения и не генерирует мешающие частоты.

Этот дизайн настолько эффективен, а выход настолько чист, что создает ощущение присутствия звука, которое невозможно игнорировать.

Чтобы понять, почему коммерческие усилители производят звук, который очень хорош, но лишен присутствия, я начну с обсуждения чувствительности человеческого уха. Затем я изучу типы искажений и то, как они влияют на то, что мы на самом деле слышим.

Наконец, в качестве потенциального дополнения к оригинальному дизайну я расскажу об искажении, вызванном «отсечением», и о том, как уменьшить его резкость.

Краткий анекдот о граммофоне

Недавно я пошел навестить друга-энтузиаста, который хотел показать мне подлинный заводной граммофон 1890-х годов с настоящей иглой из шипа и настоящим рогом «Голос Его Учителя», который он только что купил.  

 

Голос его учителя, написанный Фрэнсисом Барро в 1898 году.

 

С покупкой граммофона пришло несколько очень старых пластинок со скоростью вращения 78 об / мин, сделанных непосредственно у оригинального мастера по воску - огромный рог записывающего граммофона был помещен рядом с оркестром, и игла прорезала спиральную канавку, используя только звуковую энергию, на покрытом пластине. тонким слоем воска. Это была оригинальная запись Карузо в хорошем состоянии в полном великолепном голосе! Также были оркестровые и хоровые записи.

Все они были созданы до изобретения триода, поэтому при их производстве не использовалась электроника. Чтобы подбодрить друга, я согласился послушать, ожидая неприятно искаженного звука. Как я и подозревал, было шипение и треск, а вот музыка! Чисто и ясно, вы можете слышать каждый инструмент и каждый голос отдельно и красиво, даже с хором и источником монофонической записи. Карузо действительно заслуживает своей репутации. Он звучал ЖИВОЙ и НАСТОЯЩИЙ, хотя был выпущен в 1902 году.

Так почему же современным усилителям со всеми замечательными улучшениями, которых мы достигли в электронных технологиях, не хватает этого важного качества присутствия?

Как человеческое ухо воспринимает гармонические искажения

Человеческое ухо необычайно чувствительно. В идеальных условиях ухо может слышать звуки, исходящие от барабанной перепонки, движущейся всего на диаметр атома водорода (~ 10-10 м). Любопытно, что хотя человеческое ухо может быть очень чувствительным к одним вещам, оно не очень чувствительно к другим вещам. Например, чтобы заметить изменение громкости, необходимо удвоить мощность (3 дБ).   

Итак, если бы вы увеличили, скажем, вторую гармонику на 5%, это был бы замечательный человек. Таким образом, истинное чистое гармоническое искажение ниже 10% практически невозможно обнаружить и не имеет отношения даже к лучшему Hi-Fi. Однако инженеру легко измерить гармонические искажения с высокой степенью точности и вплоть до очень низких уровней, поэтому о нем много говорят, хотя в долгосрочной перспективе это не имеет большого значения!

Подумайте, как вы мгновенно опознаете голос своей матери, даже по низкочастотному телефону. Это делается с помощью гармонического содержания, и человеческое ухо очень глубоко настроено на гармоническое содержание: «Ты простудился, мама !?» можно спросить после всего лишь одного предложения от нее.

Это показывает, что введение дополнительных гармоник действительно очень хорошо слышно (всего лишь 0,01% легко распознаются как другой тип звука).

Интермодуляционные искажения

Любые две частоты, пропущенные через нелинейный усилитель, будут производить суммарную частоту и разностную частоту в дополнение к исходным частотам. Амплитуда этих дополнительных частот («ложных частот») связана с величиной нелинейности. Это интермодуляционные искажения, и их очень трудно измерить, особенно на очень низких уровнях, которые все еще остаются значительными для человеческого уха. Эти дополнительные нежелательные ложные частоты выходят за рамки нашей стандартной музыкальной шкалы, и даже небольшие количества делают музыку «мутной».   

 

 

Музыка или голос состоят из сотен наложенных друг на друга частот в любой момент (как это описал математик Джозеф Фурье). Когда этот набор частот проходит через усилитель, к исходному сигналу добавляются дополнительные «ложные частоты» с малой амплитудой, и человеческое ухо очень чувствительно к этому дополнительному частотному содержанию и сразу же определяет, что звук не настоящий. Это важная причина, по которой вы никогда не путаете, скажем, голоса по телевизору или радио с реальными посетителями, даже когда находитесь в другой комнате.

Даже очень хорошие обычные усилители не принимаются за настоящие! Преобразователи (например, игла на пластинке или громкоговоритель) обычно достаточно линейны (конечно, аудиофильские версии), поэтому они не вносят много ложных частот, хотя их гармонические искажения (из-за резонансов и т. Д.) Могут быть довольно большими. Слабым местом Hi-Fi-системы, независимо от ее численно очевидных превосходных характеристик, обычно является только усилитель.

Кроссовер искажения

Анализ усилителя показывает, что усилитель класса B имеет искажения без обратной связи около 33%, а усилитель класса A имеет искажения без обратной связи около 8% и звучит лучше, чем класс B. Большая часть искажений класса B возникает из-за использования выходных транзисторов в качестве выпрямителей для разделения плюсовой и минусовой половин сигнала, а также последующего усиления этих половин по отдельности («двухтактный»).  

Когда силовой транзистор управляется ниже коллекторного тока около 15 мА, усиление резко падает. Если бы можно было предотвратить падение тока в выходных силовых транзисторах ниже 15 мА в эту нелинейную область, это значительно улучшило бы ситуацию. Это изменение усиления вызывает кроссоверные искажения, характерные для усилителей класса B.  

Обратите внимание, что это искажение кроссовера не следует путать с искажением звука, часто также называемым искажением кроссовера, которое возникает, когда аудиосигналы разделены на полосы частот, как в схемах громкоговорителей, чтобы подать соответствующий частотный диапазон на каждый дискретный блок драйвера.

Переходные интермодуляционные искажения

В современных усилителях искажения контролируются с помощью отрицательной обратной связи, которая уменьшает искажения пропорционально обратной связи. Усиление дешево, поэтому очевидную нелинейность можно снизить до сколь угодно низкого уровня с помощью достаточной обратной связи.

Но сигналу обратной связи требуется время, чтобы пройти через усилитель и вернуться на вход отрицательно, чтобы подавить искажения. Таким образом, когда происходят внезапные изменения (переходные процессы), есть период, в течение которого оголенный усилитель подвергается воздействию внешнего мира, и нелинейность добавляет ложные интермодуляционные сигналы к исходным, которые не полностью отменяются обратной связью. Это переходные интермодуляционные искажения. Что вам нужно, так это усилитель без искажений перед подачей обратной связи.

Одной из причин того, что современные усилители звучат лучше, чем их старые аналоги (использующие, по сути, те же схемы класса A или B, как всегда), является увеличение скорости компонентов. Дискретные компоненты с частотой в несколько гигагерц находятся в свободном доступе, и даже дешевые силовые транзисторы имеют f ^t в несколько МГц. Это означает, что время обратной связи действительно очень мало.

Отсечение искажения и как его смягчить

Транзисторные усилители, доведенные до насыщения, звучат ужасно, потому что вершины сигнала очень резко обрезаны, что приводит к прямоугольным углам и огромному взрыву неприятных гармоник. Я ловлю себя на том, что жду, чтобы вздрогнуть, когда обычный усилитель сильно крутится.

С другой стороны, около точки отсечки клапаны имеют довольно мягкую нелинейную характеристику, что приводит к округленной сжатой синусоиде, которая содержит меньше паразитных гармоник и звучит намного лучше, чем прямоугольная синусоида транзисторного усилителя, управляемого усилителем. жесткий. 

Простая схема, изобретенная Карлом Ф. Уитли-младшим (патент США 3 786 364/1974), использует один транзистор и три резистора (TRP и RP1, RP2 и RP3) для каждого выходного транзистора (см. Ниже).

 

Полный усилитель Blomley с дополнительным выходом и защитой от клиппирования. Щелкните для увеличения .

 

Он измеряет комбинацию напряжения (RP3) и тока (= напряжение на RP2) в выходных транзисторах, и когда комбинация этих двух напряжений превышает примерно 0,6 В BE, он включает TRP и отключает привод на выходы.

Обратите внимание, что 0,6 В является номинальным, и некоторый ток начинает течь, когда Vbe превышает ~ 0,45 В, так что это «мягкое» выключение. У него два преимущества:

1. Это делает усилитель мягким «зажимом», очень похожим на конструкции клапанов, что делает звук очень щадящим и предотвращает «съеживание».
2. Он защищает выходные транзисторы от большинства злоупотреблений.

Новый подход Питера Бломли к конструкции усилителя класса B

В выпусках журнала Wireless World за февраль и март 1971 г. Питер Бломли опубликовал революционную и очень концентрированную статью « Новый подход к конструкции усилителя класса B » (PDF), состоящую из двух частей (запатентованную Plessey, № 53916.69, хотя этот патент уже давно используется с истекшим сроком).

Самая умная особенность усилителя, который он описывает, заключается в том, что Бломли разделил входящий сигнал на верхнюю и нижнюю половины перед подачей отдельных сигналов на выходные транзисторы. Затем он легко смог сконструировать выходные транзисторы для работы только в своей линейной области (выше коллекторного тока ~ 15 мА).

Кроме того, он заметил, что с сигналами напряжения диоды очень нелинейны, но если вы используете источник тока, диод настолько близок к теоретическому идеалу, что его действительно можно назвать идеальным ( разница между прямым и обратным направлением 10 ⁹ ток в дешевых диодах).

Как показано на схеме выше, он использовал источник постоянного тока (Tr6) и имел переменный сток (Tr3). Разница тока управляет диодами, которые на самом деле являются транзисторами, используемыми в качестве диодов (Tr4 и Tr5) для выпрямления тока. При использовании здесь очень высокочастотных транзисторов переход от «верхнего» сигнала к «нижнему» сигналу был настолько быстрым, что он превышал 100 кГц.

 

«Новый подход к усилителю класса B, в котором SUb-усилители смещены над нелинейной областью и питаются однонаправленными сигналами, создаваемыми диодами. Это эффективно передает разделение сигнала от субусилителей на отдельную часть схемы». От Питера Бломли  (PDF).

 

Конечным результатом этой сложной для понимания схемы (мы привыкли к цепям напряжения) является усилитель класса B с искажениями менее 0,1% без обратной связи. А на осциллографе нет заметных кроссоверных искажений без обратной связи.

После применения небольшой обратной связи возникают неизмеримые интермодуляционные искажения, переходные интермодуляционные искажения и гармонические искажения. Результирующий выход этого усилителя настолько четкий, что записанный голос можно легко принять за живого человека. Усилитель Питера Бломли - это усилитель класса B с характеристиками намного лучше, чем класса A.  

И все же Питер Бломли и его усилитель практически не получили признания в мире аудио более 40 лет. Я предлагаю для этого две причины. Во-первых, его дизайн был настолько оригинальным и неожиданным, что мало кто его понимал или воспринимал всерьез. Во-вторых, Бломли никогда не запускал свой проект в коммерческое производство, потому что у Плесси был патент, поэтому еще меньше людей могли его послушать или оценить его работу.  

Большинство аудио-энтузиастов, сконструировавших свой собственный усилитель Бломли, изменили конструкцию и тем самым внесли искажения. Я предлагаю вам создать оригинальный дизайн (возможно, с небольшими модификациями, которые допускают современные компоненты) и послушать его. Это даст вам эталонный звук для проверки любых дальнейших изменений, с которыми вы, возможно, захотите поэкспериментировать.

К сожалению, так долго игнорируя дизайн Бломли, мир аудио лишился принципиально лучшего усилителя. Вместо этого мы приложили все усилия в течение последних сорока лет, пытаясь смягчить то, что мы считали неизбежными неотъемлемыми характеристиками электронных усилителей, особенно усилителей класса B. Смелость Питера Бломли как молодого инженера заключалась в том, чтобы задаться вопросом, насколько неизбежны эти характеристики на самом деле, и затем приступить к их разработке с помощью своего усилителя.

Сегодня доступны превосходные высоковольтные, быстродействующие транзисторы, что делает усилитель Бломли даже лучше, чем его версия 1971 года.

Первоначальная конструкция усилителя была рассчитана на усилитель мощностью 30 Вт с шиной питания 60 В, и благодаря чистоте этого более чем достаточно для обычного домашнего использования. В 1971 году малосигнальные транзисторы на 100 В были редкостью, но теперь это не так, и теперь можно использовать шину питания на 80 В с другими транзисторами, увеличивая мощность до 50 Вт. Однако высокая громкость звука не требуется, так как звук исключительно чистый. Огромный запас по уровню, который есть у большинства усилителей, есть, так что вы можете воспроизводить их на большой громкости и похоронить вызванные кроссовером интермодуляционные искажения на высоком уровне звука (на самом деле это довольно печально).

Заключение

40 лет назад я влюбился в ясность и чистоту звука усилителя Бломли, но мне потребовалось много времени, чтобы разобраться в схеме и оценить великолепие Питера Бломли. Теперь я построил несколько таких усилителей, и, если я буду придерживаться оригинального дизайна Бломли, все они звучали лучше, чем превосходно.

Человеческий отклик, в том числе и наш, часто трудно объяснить, но я обнаружил, что с усилителем Blomley обычные люди хотят слушать музыку гораздо больше, чем с обычными усилителями высшего класса. Они не понимают почему, они просто в конечном итоге слушают больше музыки, чаще - конечно, окончательное испытание. Прослушивание усилителя Бломли вызывает привыкание. Я определенно нашел это так, как и многим другим, кому посчастливилось испытать этот необычный усилитель.

На самом деле, его сложно использовать для фоновой музыки; люди обычно перестают говорить и начинают слушать музыку. Его присутствие убедительно.

В своей статье Питер Бломли выразил ту самую мысль 1970-х годов, которая гласила: «По моему мнению, производительность усилителя такого калибра теряется в обычной аудиосистеме». Я построил свой первый Blomley и сразу понял, что не могу согласиться с его мнением. Моя мать, которая была до крайности болтливой, просидела всю «Пиратов Пензанса», не сказав ни слова! Это были 1970-е, и с тех пор другие компоненты аудиосистемы прошли долгий путь.

Выбор усилителя Blomley теперь, безусловно, оправдан и является лучшим способом в полной мере воспользоваться преимуществами технических достижений, достигнутых во всех других компонентах аудиосистемы.

Дермот Херрон

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/40-year-love-affair-low-distortion-class-b-audio-amplifier-audiophiles/