ГОЛОС МАШИНЫ: гармоники, стоящие за цифрой искажений

Lynn Olson, Matt Kamna
«Glass Audio» 4/97

Все мощные изыскания при разработке высококачественной аппаратуры свели на общую землю голую правду и красоту, левое и правое полушария и пытается помирить оппонентов.
    Если вы не можете представить себе возможность мирного сосуществования между собой обоих или упрямо полагаете, что только один имеет право на жизнь, вы слепец.
    До этого я 22 года занимался разработкой акустических систем и потратил массу времени на поиск соответствия слуховых восприятий с измерениями. При огромном числе всевозможных тестов, самое трудное решить, какое из измерений наиболее показательно.

Выбор параметров

Предмет раздора среди разработчиков акустики исходит из несогласия, какое измерение считать главным. Вероятно, ни один громкоговоритель не обладает всем набором данных, оттого что одни дизайнеры «завернуты» на одном параметре и не обращают внимания на другой. Вот почему громкоговорители всех ценовых категорий так по разному звучат: разработчики под влиянием маркетологов, следуют сиюминутной моде. Сегодня — это высокая чувствительность, вчера — минимальная фильтрация, еще раньше — линейная фазовая характеристика, до этого — отсутствие окраски. В до хайфайные времена был спор между звучанием техники с западного побережья с техникой с восточного берега США. Вот и судите после этого.

В электронике все выглядело гораздо проще: нет забот о характеристике направленности, переходная характеристика превосходила реакцию любого динамика, частотный диапазон был шире любого из акустических преобразователей — микрофона, головных телефонов или громкоговорителя. О чем заботиться? Меряй себе искажения и все тут.

К сожалению, не все так просто. В электронике корреляция между процентами искажений (THD — Total Harmonic Distortion — суммарный коэффициент искажений) и субъективной оценкой звучания практически равна нулю. В результате, какой-нибудь ресивер из дешевой стойки имеет гармоники куда меньшие, чем ламповый усилитель из лучших. Значит ли это что все усилители звучат «одинаково»? Определенно нет с качественной акустикой. А справедливо ли обратное утверждение, мол, измерения ничего не значат? Нет, ни первое, ни второе не подтверждаются; в мире масса усилителей с плохими параметрами, причем и звучат они ужасно. Стало быть есть смысл в измерениях.

Причина здесь не в субъективизме слушателя, он не виноват, а в самих измерениях. В этом нет никакой новости, вы можете измерять все что угодно, но масс-спектрометр не выявит особой разницы между ленчем из институтской столовки и классным завтраком из приличного ресторана. Было бы глупо полагать, что машина права, а ресторанные гурманы сами введены в заблуждение вроде «эффекта плацебо». Это наглое игнорирование субъективизма выглядит как попытка прикрыть неприличие фиговым листком науки.

И гурманы и искушенные слушатели как раз правы в своем субъективизме; такое положение дел должно побуждать серьезных разработчиков на поиски того, что лежит под поверхностью. Мы же можем заявить с полным правом лишь одно — простое измерение THD несет очень мало информации о качестве самого аппарата.

Анализ спектра

Когда Мэт Камна (Matt Kamna) предложил мне участвовать в обмерах ламповых драйверов с помощью его собственного анализатора спектра (Hewlett Packard 3585A), я ухватился за этот шанс. Мне было долгое время ужасно любопытно объяснить, отчего различные схемы звучат так, как они звучат. Ведь это влияет на мою работу как разработчика акустики; замена схемы в усилителе равносильна разбалансу в разделительном акустическом фильтре в 1-2 дБ, хотя при этом частотная характеристика всего усилителя не изменилась.

Работа с этой мощной машиной представляет интерес — разрешение на экране 100 дБ и полоса измерений 40 мГц. Мы с Мэтом пошли дальше и использовали дополнительно анализатор Tektronix AA501A, чтобы с его помощью удалить основной тон; подключив HP анализатор к выходу Tektronix, мы получили дополнительные 20 дБ разрешения динамического диапазона.

Для упрощения анализа мы использовали синус частотой 1 кГц, а на выходе добились 50 V RMS. Если бы тестовый сигнал был частотой выше, то гармоники высших порядков получились бы меньших значений из-за завала высоких самой схемой. К тому же я хотел, чтобы гармоники со второй по пятую попали в диапазон 1-5 кГц, область максимальной чувствительности уха к искажениям.

Выходное напряжение в 50 V RMS было выбрано произвольно, однако для 300В, 2А3/6B4G, EL34/KT88 это значение будет вполне компромиссным. При сигнале в 50 V динамический диапазон измерительного тандема оказался равен 118 дБ, позволяя измерять искажения вплоть до 0,0002 %. Сигнал поступал от генератора Tektronix SG505.

6SN7 — триод с малыми искажениями

И наконец для тестов мы выбрали двойной триод 6SN7 во всех пяти схемах. Это одна из самых линейных драйверных ламп, ее искажения обычно в несколько раз меньше в сравнении с 12AU7 и 6DJ8. Чтобы добиться еще меньших искажений, вам пришлось бы применять экзотику вроде триода 76, 56 или прямонакальный монотриод 26 — настоящего старожила звукотехники. Измерять искажения этих ламп я оставляю журналу MJ Stereotechnic.

Я полагаю, что не каждый располагает подобной измерительной установкой из Tek SG505, TekAA501A и HP3585А. Вы можете провести эти измерения, используя приличный тестовый CD и анализатор FFT с программой LAUD. Чтобы провести измерения точнее и расширить динамический диапазон, удобно использовать пассивный режекторный LC фильтр для удаления 1 кГц сигнала с выхода измеряемой схемы*. Желающие могут обратиться к статье в журнале ТАА (The Audio Amateur) 2/96, стр. 42, 43.

Когда мы состыковали все приборы и запустили тест, то увидели на экране множество мелких деталей. Но, как обычно, «прочесть» сходу всю картину искажений с экрана оказалось очень непросто. Гармоники вплоть до 11-й у каждой схемы имели свой характер и при такой массе экранных картинок сделать какие-либо выводы о гармонической сигнатуре каждой схемы просто невозможно.

После некоторых раздумий мы с Мэтом решили сгруппировать все четные и нечетные гармоники отдельно. Ведь четные обязаны несимметричному механизму искажений, а нечетные — симметричному. После этого нам оставалось данные из таблиц перенести на график. Чтобы не вычерчивать все это от руки и не заниматься скучнейшей работой, я использовал Microsoft Excell (cм. рис. 1 и рис. 2).

Интерпретация полученных данных

После чартов в Excell скрытое поведение гармоник становится очевидным. На экране спектроанализатора мы видели малопонятный частокол из-за того, что скорость убывания четных и нечетных гармоник была разной у каждой схемы. Теперь это сложное переплетение стало объемным и развалилось на две гистограммы, одну с четными, другую с нечетными гармониками. Каждая из них по-разному влияет на появление интермодуляционных боковых полос.

Нечетные гармоники создают частокол из близкоотстоящих боковых полос, в то время как четные гармоники создают ряд из очень удаленных друг от друга боковых полос. Посмотрев на рис. 3 с измерительным сигналом в 14 и 15 кГц (по стандарту CCIF), картина становится более понятной. При этом тесте вторая гармоника (точнее, нелинейность второго порядка) производит интермодуляционные продукты с частотами 1 и 29 кГц (рис. 4), а третья гармоника, то есть нечетная, создает IM продукты с частотами 13 и 16 кГц (рис. 5).

Вернувшись к таблицам данных на рис. 1 и рис. 2, можно без труда заметить, что значение THD от 0,4 % до 1,88 % всякий раз получено благодаря доминирующей второй гармонике, и потому остерегайтесь цифр THD в паспортах на аппараты, где полностью игнорируется информация о заполнении спектра и характере спадания уровней каждой гармоники. В этом случае при одинаковых цифрах THD полностью маскируется весьма разный характер «хвоста».

Глянув на величины составляющих спектра можно увидеть, как в одних схемах есть возможность неглубокой компенсации одних гармоник и никак не подавить (скомпенсировать) другие, в других схемах наблюдается спад гармонического «хвоста» прямо-таки по учебнику. Возможно такое поведение является причиной субъективного восприятия тонального баланса (или небаланса) различных схем, что никак не вычислить с помощью измерений частотного диапазона.

Субъективное восприятие может быть на самом деле создано перевесом составляющих на уровне шума (даже весьма малого) в той или иной области частотного диапазона или соотношением между собой гармонических составляющих, и вовсе не отклонением частотной характеристики от прямой линии. Последнее-то выдержать на определенном участке как раз труда не составляет, составляет, ведь каждый из нас слышал транзисторный усилитель с призвуком жести и ламповый с притупленным скучным звуком; хотя всякий раз их «частотка» была ровной, но ведь звучали-то они не ровно!

Вверху представлена картина на экране осциллоскопа в размерности V/mS. При том, что тестовые сигналы свободны от искажений, верхняя и нижняя огибающая уже заметно искажены, очевидно благодаря нелинейности осциллографа.

Внизу представлена картина на экране анализатора спектра в размерности дБ/кГц. Здесь более понятно, что искажений во входном сигнале нет благодаря высокой избирательности анализатора и логарифмической шкале. Шкала с глубиной -80 ДБ соответствует 0,01 % искажений, тогда как на экране даже тренированный глаз способен заметить искажения не раньше 2 %, да и то на простой синусоиде. На сложных сигналах это еще сложнее увидеть. На экране осциллоскопа можно ясно увидеть жесткое клиппирование (отсечку, ограничение) или выброс на ступенчатом сигнале.

Отметьте, как четные гармоники создают боковые полосы (комбинационные составляющие), удаленные от тестовых сигналов. Очевидно подобие с амплитудным детектированием (АМ), показывающим, как выделяется огибающая 1 кГц при несущей 15 кГц посредством диодного детектора.

Конечно, при сильном ограничении, показанном на верхней осциллограмме, образуется гораздо больше комбинационных тонов. Для простоты на спектре изображены только две боковых полосы.

Нечетные гармоники сгруппировались рядом с тестовыми сигналами. При жестком ограничении образуется гораздо больше составляющих. Огибающая подобна функции Бесселя (характеристика гребенчатого фильтра), а также спектру фазочастотной модуляции (FM). Для простоты на спектре изображены только две боковых полосы, образованных нелинейностью третьего порядка.

Вкл / Выкл шунтирующего конденсатора

При включении и выключении шунтирующего конденсатора в катоде картина искажений на экране анализатора спектра меняется разительным образом. Хотя эта операция выглядит примитивной, однако она заметно меняет рабочие характеристики триода. Если он включен в схеме с фиксированным смещением или катод зашунтирован конденсатором, справочные данные на усиление, сопротивление r_p (внутреннее динамическое сопротивление) и крутизну усиления s вполне пригодны для расчетов. Если конденсатор отключен, то r_p и s изменятся и весьма значительно.

Большинство думает, что резистор в катоде, не зашунтированный конденсатором, лишь создает локальную обратную связь, линеаризующую поведение схемы. Это правда, но не вся правда. В тот момент, когда усиление остается прежним, внутреннее сопротивление лампы возрастает, а крутизна ее падает**.

К примеру, лампа 6SN7 с катодным резистором 800 Ом изменяет свое внутреннее сопротивление r_p с 7,7 кОм до 23,7 кОм — более чем в три раза! Одновременно с этим крутизна падает также втрое. В результате линейность лампы здорово ухудшается; это подобно резкому падению эмиссии.

В схемах с межкаскадной RC связью последствия от такого вот отключения (или неподключения изначально) шунтирующего конденсатора весьма ощутимы и печальны. Чтобы работать с низкими искажениями, триоду требуется нагрузка в аноде не менее чем в 3-4 раза большая его внутреннего сопротивления r_p. Так как при RC связи между каскадами нагрузка лампы представляет собой параллельное соединение анодного резистора с сеточным сопротивлением утечки следующего каскада, то в этом случае и впрямь не много свободы в деле увеличения нагрузки в анодной цепи лампы (за исключением разве что питающего напряжения В+, что создаст проблемы во всем усилителе***.

Когда вы удаляете конденсатор, прежде удовлетворительное соотношение нагрузки в аноде к r_p становится гораздо менее приемлемым, так как теперь внутреннее сопротивление r_p оказалось втрое больше, что эквивалентно развороту линии нагрузки по часовой стрелке и характеризуется большей нелинейностью. Образовавшаяся локальная обратная связь по току старается как-то линеаризовать эту нелинейность, но что можно поделать, когда линия нагрузки почти вертикальна и половинка синусоиды на закрытие заходит в очень нелинейную область при малых токах.

Влияние на искажения

Все это имеет катастрофическое влияние на весь спектр продуктов искажений. Теперь лампа приобретает присущие ей искажения, которые частично выправляются обратной связью. Это даже может привести к уменьшению второй гармоники, но не способно справиться с высшими гармониками, которые безудержно вырастут. Судя по табличным данным, это не так очевидно, но все-таки мы с Мэтом пытаемся обойтись без RC связи между каскадами за ис ключением обычной двухкаскадной схемы, где в самом деле уровень высших гармоник весьма ощутим. Хотя мы не занимались измерением их специально (двух каскадов, включенных друг за другом), но когда схема составлена из каскадов с нешунтированными катодами, то суммарные продукты нелинейности окажутся несомненно выше, чем намеряно на одном каскаде. Схемы без прямого включения резистора в анод, то есть различные SRPP, m-повторители и с трансформаторной нагрузкой, даже внешне выглядят предпочтительней.

Плавное снижение уровня высших гармоник особенно заметно на схеме с трансформаторной нагрузкой. Возможно, воспринимаемая на слух «натуральность» и «прямота» трансформаторной связи как раз в этом и кроется, если посмотреть на характеристику спектра. Пожалуй, это самый «красивый» хвост гармоник, виденный мной, прямо точь-в-точь как в справочниках и книгах RCA, да и амплитуды составляющих меньше, чем у других схем. Ну-ка, попробуйте найти схему на транзисторе, который бы давал 50 V RMS на выходе при 1 % искажений без обратной связи!

Различные спектры музыкального сигнала

Как было сказано выше, четные и нечетные гармоники обязаны несимметричным или симметричным искажениям формы сигнала; отсюда и очень разные спектры, наблюдаемые при IM тестах. Еще в 1950 г. в журнале Wireless World Шортер (D.E.L. Shorter — исследователь на BBC) отметил, что реальная музыка буквально загромождена плотным частоколом близко расположенных тонов; хор голосов или ансамбль скрипок имеют самые плотные спектры. Шортер показал, что даже три близкорасположенных тона дадут столь плотно стоящие боковые составляющие (суммарные и разностные), что они просто “накроют” собой обычный спектральный хвост искажений усилительного устройства.

В итоге с ростом числа тонов в сигнале количество боковых полос на IM спектре растет гораздо быстрее, чем спектр гармонических составляющих. Три тона являются неким пограничным случаем; при двух величина IM искажений сравнима с цифрой гармонических искажений, а вот при четырехтоновом сигнале спектр интермодуляций несравнимо богаче, чем гармонический спектр. Мы оставляем читателю вопрос о мгновенном содержании чистых тонов в реальной музыке. Во всяком случае, гораздо больше трех!

Присутствие интермодуляций в спектре зависит от типа (жанра) музыки, которую мы слушаем. К примеру, джаз и народная музыка* имеют собственный обедненный спектр и тогда процент гармоник (THD) играет решающую роль в субъективной окраске. Наоборот, пение а капелла, большой хор и ансамбль скрипок имеют собственный спектр очень насыщенный. В нем близко расположенные тоны постоянно изменяют свою фазу из-за специфического характера звукоизвлечения. В этот раз качество воспроизведения будет сильно ухудшено даже при небольшом проценте интермодуляций; одновременно с этим ухо будет нечувствительно к относительно невысокому уровню четных гармоник. Вот это и порождает бесконечные аудиофильские споры о качестве звуковоспроизведения, когда один жанр может “прозвучать”, а другой — нет. Все дело в предпочтениях.

(Небольшое отступление: Музыканты могут держать фазу сигнала, т.е. синхронность извлекаемого звука, неизменной в течение нескольких секунд, несмотря на кажущуюся невозможность этого. Я обнаружил этот почти невыполнимый прием, работая над квадрофоническим декодером на Audionics. Как тогда, так и сейчас схема динамического матрицирования на определенных программах “теряет голову”, она просто выключается, когда короткий период музыканты играют абсолютно синхронно в унисон, а затем слегка расходятся. В альбоме “Full Sail” Loggins и Messina есть дорожка, где скрипка в левом тылу, а гармоника в правом тылу. Все звучит прекрасно на обычном стерео или в телефонах (хотя запись кодирована в SQ), но при декодировании в квадро логический детектор начинает гонять звук по кругу, когда музыканты то входят, то выходят из синхронизма. Этот в самом деле необычный эффект не был задуман продюсером записи).

Таким образом, в зависимости от жанра музыки, которую вы слушаете, спектральный хвост или тип искажений (симметричный или несимметричный) будет оказывать влияние на субъективное восприятие. И разобраться в этом будет посложнее, чем проглотить простенькую формулу “вторая гармоника всегда лучше”, тупо декларируемую популярной прессой. Предпочтение определенному спектру музыкального сигнала играет главнейшую роль в образовании “тональной окраски” усилителем с внешне ровной характеристикой. Рассуждения о “спектральной тональной окраске” при поддержке сложной измерительной техники показывают, насколько мы сбились с пути в этом цифровом веке.

Влияние обратной связи на структуру гармоник

Усилитель Уильямсона 1947 года был устройством, в наибольшей степени популяризовавшим философию — “обратная связь излечит все болезни”. Интересно, что с 1948 по 1956 год почти все коммерческие качественные усилители имели схему Уильямсона (за малым исключением Quad II, McIntosh и EV Circlotron). В этот период формирования заклинания “больше мощности, меньше искажений” становятся движущей силой в аудиоиндустрии. К 1960 году в ней царили понятия сверхширокой полосы, глубокой ОС и схемы на EL34 и 6550 в классе АВ в ультралинейном (UL) включении.

За этот 12-летний период традиционное инженерное предубеждение против применения ламп с высоким уровнем искажений рухнуло, открыв дорогу пентодам и классу АВ. Каждое “улучшение” характеризовалось ростом искажений, которые затем “корректировались” подачей все более глубокой обратной связи. Транзисторные схемы с еще большей глубиной ОС стали следующим шагом, они в конце концов позволяли получить большую мощности, меньшие искажения, более широкую полосу и, самое главное, — при меньшей цене изделия.

Большая глубина ОС является требованием de facto в удовлетворении спецификаций усилителями для домашнего театра, что, вероятно, и объясняет особенное звучание современных система домашнего театра. Забавно, что какой-нибудь усилитель Western Electric на 300B с двадцатилетним стажем работы в настоящем кинотеатре сегодня не прошел бы сертификацию для домашнего театра, когда же общедоступный 200-ваттный ресивер с легкостью минует испытания. Хм, какие ошибки допустил в этой картине художник (помните детскую игру)?

Норман Кроухерст (N.Crowhurst) представил блестящий анализ того, как с помощью ОС идет обвальный рост порядка гармоник. Статья была перепечатана в Glass Audio (The Amplifier Distortion Story, 6/95 и 1/96). Начал он с одного каскада, имеющего только одну вторую гармонику, затем добавил второй каскад последовательно первому. На выходе уже появились 2-я, 3-я и 4-я гармоники. Когда он сделал двухтактный усилитель, то хвост гармоник протянулся до десятой, потеряв все четные. И, наконец, замкнул петлю обратной связи, что дало ряд гармоник вплоть до 81-й. Весь этот “наворот” произошел всего-то из одной “идеальной” лампы, имеющей одну только вторую гармонику!

Гармонический спектр реальных устройств

В реальных устройствах спектр искажений еще более богатый. В плане интермодуляций спектр передаточной характеристики усилителя “испачкан” различными шумовыми эффектами, которые имеют сотни боковых полос. Даже не перечислить эффектов от реактивной нагрузки, которая частотнозависимо обогащает выходной спектр! Линия нагрузки превращается в эллипс, где в области малых токов возникает значительная нелинейность, приводящая к мгновенной вспышке гармоник высокого порядка. Эта спектральная “шершавость” наиболее ясно слышима на низкочастотной программе и при нагрузке на рупор или ящик с фазоинвертором.

Как отметил Кроухерст, обратная связь подавляет, главным образом, 2-ю и 3-ю гармоники, оставляя нетронутыми продукты искажений верхних порядков, а иногда делает их даже выше. ОС легко обманывает простенький THD-метр (по-русски — ИНИ — измеритель нелинейных искажений) но анализатор спектра видит, что там внутри сигнала. Очень плохо, когда на протяжении более 50 лет измерялись грубая мощь и почти бесполезный суммарный процент гармоник. Если бы люди имели больше возможностей в работе со спектроанализатором, то обманчивая природа измерений THD была бы вскрыта гораздо ранее и, возможно, конструирование усилительной техники пошло бы иным путем.

Если вашей целью является тракт с низким уровнем гармоник и отсутствием искажений высокого порядка, тогда единственный путь к достижению цели — использование триодов прямого накала. У них втрое меньший уровень гармоник против тетродов/пентодов, включенных триодом. И спектральный хвост гораздо короче. В контексте сказанного, вероятно, усилители Сакумы, пользующие 300В в качестве драйвера, сделаны именно с подобной целью. В случае “трехсотки”, качающей 65 Vrms на высокоомную трансформаторную нагрузку, имеющую во вторичке расщепление фаз, то чтобы получить двухтактный драйвер той же амплитуды, мы должны ограничить его нелинейность цифрой не более 0.1% (для имеющих доступ в интернет: http://www.big.or.jp/~dh/gallery/pic/memory.html).

Коль скоро мы ставим ограничения на искажения драйвера, то можно вроде бы махнуть на это рукой, как на несложную реализацию. Однако соблюдение этих требований случается гораздо реже, чем вы можете себе представить — весьма редко драйвер имеет втрое меньше искажений, чем выходной каскад, плюс запас по амплитуде раскачки, равный 6 дБ или более. И это справедливо для всех усилителей без исключения, будь то триодный, пентодный или транзисторный! Более типично, когда драйвер имеет искажения лишь половину от выходного каскада или хуже, да и запас по амплитуде у него 1-2 дБ. Как результат, усилители на 300В или на 2А3 имеют очень различное звучание, хотя, казалось бы, что все усилители на 300В должны иметь схожий характер звука. На самом деле все зависит от линейности драйвера и его токовых возможностей.

Лампы, транзисторы, схемы включения и спектры гармоник

Все вышесказанное применимо к триодам с резисторной нагрузкой, трансформаторной, дроссельной, включенным в SRPP или в схеме с активной нагрузкой, как m-повторитель. Одновременно с этим оно не применимо к каскодному включению триодов, к пентодам, биполярным транзисторам или MOSFET’ам (полевые транзисторы МОП-структуры. Прим. ред.). Устройства с “пентодной” характеристикой не обладают передаточной характеристикой триода с ее квадратичной зависимостью, на самом деле она имеет вид сложной экспоненты, что приводит к большому весу высших гармонических составляющих.

При сравнении параметров и характеристик ламп, внимательно присмотритесь к соотношению уровней второй и третьей гармоник в каскаде с общим катодом и резисторной нагрузкой. Триоды с малой нелинейностью (6C5, 6J5, 6SN7, 6CG7 и прямонакальные триоды) имеют очень низкий процент третьей гармоники; для приборов с “пентодной” характеристикой третья гармоника будет равно второй или даже превышать ее. Триоды со средней нелинейностью (12AU7, 6DJ8) по своему гармоническому составу попадают между пентодами и высоколинейными триодами. Вот почему 6DJ8/12AU7 известны своим “рафинированным, подобным транзисторам” звучанием — разницы между спектрами тех и других не наблюдается!

Люди могут быть сбиты с толку по поводу различий и подобий между схемами SRPP, m-повторителей, каскодного включения, пентодами. Здесь главное различие в том, как и чем управляется сетка верхней лампы, которая работает подобно экранирующей сетке в пентоде.

В звуковом диапазоне, если на управляющую сетку верхней лампы подано переменное напряжение с нижнего анода, то все устройство ведет себя как триод. Это происходит, к примеру, в схемах SRPP или m-повторителях. Если же подключить верхнюю сетку к фиксированному напряжению, то композитное устройство поведет себя подобно пентоду или тетроду. Когда же подать на верхнюю сетку (или на экранирующую сетку тетрода) только часть напряжения анода (имеется ввиду, естественно, переменная составляющая), то получим ультралинейное включение, при котором искажения попадают между триодом и пентодом.

Триод против пентода

Работа триода характеризуется низким сопротивлением анода (r_p), малым или умеренным усилением (m), довольно большой емкостью Миллера и, наконец, низкими искажениями с быстрым затуханием высших гармоник в спектре. Сравнение триодов с любыми другими устройствами показывает, что они имеют наименьшие искажения при работе усилителем сигнала.

Работа пентодов (или каскодных схем) характеризуется очень высоким сопротивлением анода, усилением от умеренного до очень большого (зависит от сопротивления нагрузки), весьма малой емкостью Миллера и довольно высокими искажениями с большим содержанием гармоник высших порядков. Исходя из этого, можно заключить, что пентоды (каскоды) наиболее применимы для усиления сигналов очень низкого уровня или в радиодиапазоне, где линейность менее важна, чем низкие шумы и широкополосность усиления.

В 90-е годы линейность собственно ламп вновь оказалась на повестке дня, особенно при возвращении интереса к прямонакальным усилителям. Хотя сегодня существует определенный “триодный флер”, но также имеются технические резоны, подкрепленные практикой прослушивания, объясняющие, отчего истинные триоды предпочтительнее пентодов, включенных триодами.

Данные, опубликованные в последних выпусках VTV (Vacuum Tube Valley) только подтверждают факты, почерпнутые из справочников RCA: прямонакальные лампы, подобные 2А3 или 300В, в самом деле имеют искажения меньше раза в 2-3, чем включенные триодами 6L6, EL34 и 6550. При ультралинейном включении или чистом пентоде сравнение будет еще сильнее не в пользу последних.

Хотя в популярной прессе идет жесткая критика однотактных усилителей на триодах за их высокие цифры искажений, все-таки невредно вспомнить, что собственная линейность прямонакальных триодов гораздо выше линейности пентодов и транзисторов. Ну-ка, отключите обратную связь глубиной 16-26 дБ, и цифры искажений окажутся хуже, чем в триодных схемах без этой самой ОС. К примеру, для классической схемы Уильямсона это даст 8-12%, когда же DHT усилители имеют 3-5% на полной мощности.

Схемы драйверов с динамической нагрузкой

Схемы с активной нагрузкой (m-повторители) или с трансформатором в аноде (создающим очень высокий импеданс в звуковом диапазоне), представляются весьма привлекательными при использовании их в качестве драйверов. В принципе здесь используются любые элементы (триоды, пентоды, транзисторы) в самых различных включениях и схемах, обеспечивающих повышение импеданса нагрузки.

Когда триод включен на активную нагрузку или трансформатор, тогда происходит некоторый рост усиления, значительное снижение искажений и даже существенное уменьшение гармоник высших порядков. В общем случае, когда нагрузка в аноде в десять раз или более превышает r_p драйвера, то работа триода может считаться как почти идеальная (На практике искажения верхней лампы в m-повторителе могут взаимодействовать с искажениями нижнего плеча, приводя к более сложной характеристике передачи, чем у простого триода).

Когда пентоды, каскоды и транзисторы в качестве драйвера имеют активную нагрузку, то здесь ожидается очень большое приращение усиления, возможен рост гармоник и при этом гармоник высших порядков. Картина весьма отлична от случая с триодами. Однако, если усилитель использует ОС, то прирост усиления может быть истрачен на увеличение глубины обратной связи. Это в значительной степени уменьшит гармоники низкого порядка (2-я и 3-я), но, как было отмечено в статье Кроухерста, никак не повлияет на подавление высших гармоник. Увеличение глубины ОС также приведет к более выраженной точке клиппирования (резкая отсечка верхушки синусоиды), что сопровождается субъективным восприятием уменьшения динамического диапазона.

Так что когда вы сравните каскадное (один за другим) соединение триодов с каскадом на пентоде или транзисторе с активными нагрузками, то при равенстве усиления и одинаковых цифрах THD, содержание гармоник высших порядков всегда будет доминировать в схемах с большим усилением и большей глубиной ОС.

Старина Brook (разработчик известнейших усилителей. Компания носила имя владельца. — прим. переводчика) был прав — от входа до выхода должны стоять триоды с малым усилением, даже если их придется потратить больше. Иначе однажды “занесенные” в спектр высшие гармоники уже не убрать ничем.

Источники питания и шумовые спектры

Помехи и шумы, с ними связанные, могут иметь высокую степень корреляции со спектром сигнала. Это касается электромагнитной помехи, вызванной работой конденсаторов в П-фильтре или просто в мостовом выпрямителе. Заряд конденсаторов, подключенных непосредственно к выпрямителю, проходит очень быстро, вызывая короткий, но мощный ток заряда. (Об этом смотри в IV издании RCA Radiotron Designer’s Handbook, глава 30. Там же исчерпывающе освещена работа П-фильтров).

Для многих прошел незамеченным тот факт, что ширина этого импульса зависит от потребляемого усилителем тока, что приводит к их взаимной модуляции. Чем больше потребление усилителя, тем шире выброс тока и, соответственно, чем меньше, тем уже выброс зарядного тока. В итоге цепочка — вторичка трансформатора питания, выпрямитель, конденсатор — работают как антенна с помехой, промодулированной изменяющимся потребляемым током усилителя. Картина станет более понятной, если представить цепь питания контуром Тесла в составе индуктивности, емкости и коммутатора (его роль исполняют открываемые на короткое время диоды). Спектр такого радиочастотного передатчика будет широтноимпульно модулированным обратно пропорционально величине потребляемого тока.

В этом случае применение фильтра с дросселем на входе может оказаться единственным его преимуществом; по крайней мере броски тока гораздо шире и не так сильно зависят от потребления схемы. Похоже, что немногие из тех, кто “завернут” на обязательном выпрямлении напряжения накала с огромной емкостью, поступают благоразумно, когда заведомо “тормозят” скорость заряда путем последовательно включенного резистора, а не надеются на демпфирование случайной величиной ESR* первого конденсатора в фильтре. То же самое касается любителей полупроводниковых усилителей. Может быть как раз в этом причина ухудшения звучания, когда большие электролитические конденсаторы шунтируют пленочными? Они резко уменьшают значение ESR, тем самым скорость заряда увеличивается, обостряется пик тока, а излучение электромагнитной помехи возрастает.

Как вы понимаете, этот контур Тесла в миниатюре, со своими параметрами Cs и Rs в трансформаторе питания, Ls и Rs в первом конденсаторе, очень требователен к расположению и ориентации. “Торможение” выпрямителя с помощью ферритового кольца может принести мало пользы: очень узкий пик тока и, следовательно, огромной амплитуды может запросто ввести колечко феррита в насыщение. Возможно лучшим решением будет применить проволочный резистор небольшого номинала, по одному на каждом выходе мостового выпрямителя, т.е. на положительном и отрицательном выводах. Здесь-то вряд ли возможно насыщение, так как это индуктивность в чистом виде, без сердечника.

Вообще тема “коррелированного шума” выглядит гораздо острее, чем “борода” на уровне разрешающей способности анализатора спектра. Тем более, что такой трудно измерить при цифровом преобразовании и попытаться выделить как помеху. По-видимому (из общения с друзьями из Tektronix) эти выбросы шума, как стационарного, так и нестационарного, способны нарушать точность работы АЦП и ЦАП, поскольку шум частично коррелирует с входным сигналом. Эту проблему довольно трудно анализировать и еще труднее понять до конца, но модуляционный шум гораздо более слышен, чем мы себе представляем, наблюдая короткие дрожащие полоски на экране спектроанализатора.

Подводя итог

Это краткое обсуждение схемотехники усилителей представлено с целью показать, как простенькие измерения процента гармоник могут привести к неблагоразумным решениям при разработке. Гармоники низших порядков почти неслышимы в сравнении с верхними, хотя они и доминируют в цифрах измерений THD! Стрелка измерителя сообщает разработчику, ревьюеру (обозревателю), продавцу и, наконец, потребителю полную ерунду.

Существует классическая притча о неком упрямце, потерявшем ключи от машины. Они принялся искать их под фонарем, хотя знает, что обронил их в совершенно другом месте. “Здесь света больше” — заявляют закоснелые инженеры, маркетологи по продвижению дешевой электроники и журнальные обозреватели, но ключ к хорошему звуку, однако, не там, где его ищет современная аудиоиндустрия.

Если бы он был там, то почему виниловые диски, сделанные 35 лет назад и воспроизведенные лампами, которым в обед 100 лет, звучат несравнимо лучше какой-нибудь цифровой массовой стереопогремушки с 0.001% искажений? С дешевыми громкоговорителями “все они звучат одинаково”. Помните эту декларацию? Да потому что с хорошей-то акустикой это и так ясно, как божий день.

Мы находимся в странном, двусмысленном положении, когда открываем для себя, что акустика становится все лучше и лучше, но тогда и истинное назначение ламповой техники становится все более и более очевидным. Дело дошло до того, что даже J.Gordon Holt* присвоил транзисторному усилителю Crown DC-300 рейтинг “А” в 1971 г., когда же Dynaco Stereo 70 очень умеренной цены был удостоен рейтинга “В”. Нынче же с современной акустикой DC-300 слушать невозможно, а Dyna звучит еще лучше, чем раньше, с акустикой той поры. Даже скромные SCA-35 и EL84 Eico (усилители конца 50-х и начала 60-х) сейчас выглядят как ретро-фавориты с современной акустикой.

Пора отдохнуть от мифа про “благозвучные искажения” и найти те реальные трудноуловимые источники, создающие искажения в усилителе, которые отмечает человеческое ухо. Как только мы найдем методы измерений, которые в самом деле помогают, а не прячут правды от нас, то станет легче разрабатывать электронику, дружественную слушателю. Я надеюсь, что эта статья предоставит пищу для измерений, рассуждений и, что самое важное - слушания музыки в свое удовольствие!

* Удаление основного тона окажется полезным и при простых замерах THD и при наблюдении суммарных продуктов искажений на экране осциллоскопа. Чтобы не быть голословным, рекомендую пару решений режекторной цепи. Смотри схемы и расчетные формулы в конце статьи. — Прим. ред. «Вестника».
    ** Это следует из общеизвестной формулы m = r_p * s. Произведение сомножителей может оставаться постоянным, но сами множители могут изменяться в любой пропорции. Вывод того факта, что усиление не изменяется, следует из простого измерения Uвых/Uвх — параметр усиления есть едва ли не единственный, измерить который напрямую, не составляет труда. — Прим. ред. «Вестника».
    *** Положим, что питание каскада +300 V, а на аноде +150 V, при этом R_A = 20 кОм. Мы можем его безнаказанно увеличить вдвое и при этом не изменить U_A = 150 V, но тогда напряжение питания должно возрасти до 7,5 mA x 40 кОм + 150 V = 450 V. Где его взять, да еще отфильтрованное — в этом и будут заключаться проблемы. — Прим. ред. «Вестника».
    * Не ясно, музыка какого народа имелась ввиду? Если одинокий пастуший рожок - это одно, а если исполнение трио на ситарах в Индии - это уже совершенно другое и про обедненный спектр здесь говорить не приходится. Это же касается исполнения народной музыки на гитарах в Испании. Прим. А.Б.
    * ESR - Equivalent Series Resistor (англ.): последовательно включенное сопротивление, образованное обкладками, выводами и контактами. Об эквивалентной схеме реального конденсатора более подробно можно прочесть в статье А.Фрунджяна “Маленькие секреты конденсаторов”, ж. Класс А, 1996. - спец. выпуск. Прим. ред. Вестника.
    * Гордон Холт - основатель журнала “Stereophile” в самом начале 60-х. И по сей день в редакции этого журнала он считается непревзойденным экспертом “золотые уши”. Хотя эти “уши”, да и политика самого журнала, как передовика high-end’a, беспощадно критикуются все это время. При всем уважении к Г.Холту и его “высокоавторитетному” журналу, редакция “Вестника” находится на противоположной стороне дороги. Прим. А.Б.