Преувеличения и Усилители

Анализ Американских Требований к Повышению Линейности и Эффективности

D. T. N. WILLIAMSON и P. J. WALKER

Перевод Евгения Карпова

Содержание этой статьи я оставлю без комментариев, единственное, что я хочу сказать: перевод этой статьи доставил мне удовольствие.

Точно и четко сформулированные мысли характеризуют авторов, писавших эту статью, как профессионалов высочайшего класса.

Хочу выразить благодарность Денису Афанасьеву за предоставленный исходный материал.

Евгений Карпов

 Недавно изданные статьи, особенно в Соединенных Штатах, показали, что существует некоторая неопределенность понятия "высокое качество" для звуковых усилителей. Это тенденция привела к снижению требований к качеству усилителей. Использование в описании параметров усилителя терминов в превосходных степенях приводит к тому, что параметр, имеющий точное значение, в этом случае, теряет смысл. Эта статья предназначена для разъяснения сложившейся ситуации, в ней обсуждается вопрос требований к качественному усилителю, и сделана попытка разъяснить некоторые неправильные представления.

Как правило, для усилителя указывают коэффициент нелинейных или интермодуляционных искажений. Соответственно, эта тенденция привела к тому, что эти параметры стали расценивать как главное требование "высокого качества". В 1944 году в одной из публикаций было предложено считать нормой высокого уровня эксплуатационных показателей суммарный коэффициент гармоник в 0.1 процента и стремиться к этой величине при максимальной выходной мощности. Такое низкое содержание гармоник легко достижимо современными методами проектирования и, фактически, не обнаруживаемо в самых утонченных тестах прослушивания.

Это произвольное значение было выбрано не потому, что это допустимый максимум, а потому, что, будучи гораздо меньше абсолютно необходимого уровня, дает хороший запас для компенсации любого ухудшения качества оборудования в процессе эксплуатации.

Требования к параметрам высококачественного усилителя уже определялись в предыдущих статьях, но стоит их повторить и расширить.

Они следующие:

(1) Незначительные нелинейные искажения при максимальной нормируемой выходной мощности.

(Термин " нелинейные искажения " включает в себя как нежелательные гармоники, так и интермодуляционные составляющие сигнала.) Для выполнения этого требования динамическая характеристика выход/вход должна сохранять линейность вплоть до максимальных выходных уровней для сигнала с произвольной формой, который может поступить на вход усилителя, и содержащего частотные компоненты, лежащие как внутри, так и вне полосы звуковых частот. Также эти условия должны выполняться при изменении импеданса нагрузки в диапазоне, который может реально встретиться на практике.

(2) Линейная частотная характеристика в пределах слышимого диапазона частот - 10-20,000 Гц.

(3) Незначительный сдвиг фазы в пределах слышимого диапазона частот.

Фазовые сдвиги между гармоническими составляющими сложного, установившегося сигнала не влияют на слышимое качество звука, но в динамике оказывают существенное влияние на натуральность воспроизведения.

(4) Хороший импульсный отклик.

Для точного воспроизведения звука в динамике, в дополнение к малым фазовым и частотным искажениям, следует исключить и другие факторы, ухудшающие импульсный отклик. Должны быть исключены изменения эффективного усиления вследствие перехода любых каскадов в режимы отсечки (как по току, так и по напряжению), особое внимание необходимо уделить конструкции элементов со стальными сердечниками и стремиться к сведению их количества к минимуму. Следует помнить, что выходные каскады, работающие в классе АВ с автоматическим смещением, существенно меняют значение эффективного усиления в течение низкочастотных переходных процессов. Это приводит к значительным искажениям, которые не наблюдаются в установившихся режимах. Переходный процесс приводит к возрастанию тока в выходном каскаде, это сопровождается изменением напряжения смещения с постоянной времени, определяемой RC-цепочкой автоматического смещения, следовательно, изменится режим работы лампы и коэффициент усиления усилителя.

(5) Низкое выходное сопротивление.

Это требование вытекает из необходимости обеспечения хорошего электрического демпфирования акустической системы и обеспечения ее хороших частотных и переходных характеристик. На ограничение перемещения диффузора электромагнитного громкоговорителя будет влиять акустическая нагрузка, жесткость подвески, сопротивление катушки и электромагнитное демпфирование. Эффективность нагруженного экраном громкоговорителя редко превышает 5-10 процентов, и акустическое демпфирование в этом случае незначительно. Поэтому электромагнитное демпфирование оказывает существенное влияние на перемещение диффузора. Эффект электромагнитного демпфирования пропорционален току, протекающему через катушку и, следовательно, пропорционален полному сопротивлению в цепи катушки громкоговорителя. Поэтому выходное сопротивление усилителя должно быть намного ниже, чем полное сопротивление катушки.

(6) Достаточный запас мощности.

Естественное воспроизведение оркестровой музыки в комнате средних размеров требует пиковой выходной мощности порядка 15-20 ватт, если в качестве электроакустического преобразователя используется нагруженный экраном громкоговоритель с нормальной эффективностью. Использование рупорной или другой, более эффективной, акустической системы снижает требуемую пиковую мощность до 10 ватт. В высококачественном усилителе, конечно, максимальная пиковая выходная мощность должна быть больше, чем требуемая практически. Даже в этом случае хорошая конструкция должна гарантировать, что при мгновенных перегрузках будет отсутствовать блокирование усилителя.

(7) Уровень фона и шумов должен быть, по крайней мере, не хуже -60db.

Нельзя считать, что любой усилитель, специфицированный как "high quality", соответствует этим обширным техническим требованиям. Однако при условии, что эти требования выполнены полностью, и паразитные компоненты в звуковом диапазоне (генерируемые внутри или вне этого диапазона) не превышают доли процента, любой усилитель будет звучать столь же хорошо, как любой другой, и "улучшить" усилитель мощности, в смысле улучшения качества звука, становится невозможно.

Эффективность. С другой стороны, конечно, абсурдно утверждать, что усилители не могут быть улучшены в любом смысле. Эффективность, компактность и надежность весьма важны, и именно эти факторы можно улучшить во многих случаях. Важность каждого из этих факторов определяется назначением и заданными габаритами усилителя.

В усилителях небольшой выходной мощности (менее 20 ватт) эффективность не является определяющим параметром, и другие соображения, типа простоты конструкции и высокой повторяемости, могут стать главенствующими. В усилителях большой мощности эффективность становится доминирующим фактором. Иногда ограниченное значение мощности, рассеиваемое анодом лампы, не позволяет получить необходимую выходную мощность при низкой эффективности выходных каскадов.

Контроль Качества Продукции. Основной целью проектировщика является (или должна являться) задача получения наилучшего качества звука, в конечном счете, у тех, кто воспользуется этой разработкой.

Если проектируемое устройство будет производиться без контроля со стороны проектировщика, то необходимо приложить максимальные усилия, чтобы гарантировать, что каждый изготовленный усилитель обеспечит заданные параметры без чрезмерных затрат труда на наладку и при использовании ограниченного количества измерительного оборудования.

В этом случае отказ от использования сложной "косвенной" схемотехники или технических решений с повышенной чувствительностью к отклонениям номиналов и конструкции компонентов, приводящим к существенному ухудшению качества изделия, является первостепенной задачей.

Производство оборудования под контролем проектировщика порождает совершенно другие проблемы. В этом случае имеется большая свобода выбора в применяемых решениях и, вероятно, будет использована более разнообразная и совершенная схемотехника.

Усилитель, описанный в журнале Wireless World за апрель - май 1947г, является примером использования первого подхода к проектированию. Показательным является то, что усилитель был успешно реализован многими людьми с различной квалификацией, и простая настройка позволяла достичь отличных качественных показателей. Выходной каскад усилителя был реализован на триодах, использовался качественный выходной трансформатор. Для повышения качества работы усилитель охвачен петлей общей отрицательной обратной связи.

Единственным справедливо критикуемым недостатком этого усилителя является его эффективность. При выходной мощности приблизительно 15 Вт, мощность, потребляемая по анодным цепям, составляет 56 Вт, что соответствует эффективности только 27 процентов. При использовании в качестве выходных ламп тетродов эффективность может быть увеличена до 35-40 процентов, следовательно, при той же самой потребляемой мощности выходная мощность может составить 22 Вт, или можно снизить потребляемую мощность примерно на 20 Вт, не изменяя выходной. Стоит это делать или нет - вопрос проблематичный. С точки зрения проектировщика, дополнительный риск возникновения сложностей при повторении конструкции людьми с низкой квалификацией перевешивает преимущество достижения более высокой выходной мощности. Следует также учесть, что в большинстве случаев даже существующий уровень выходной мощности не может быть использован полностью. Уменьшение потребляемой мощности и анодного напряжения незначительно отражается на стоимости усилителя, хотя это и приводит к более легким режимам работы конденсаторов и, соответственно, большей надежности схемы. Однако не имеется каких-либо доказательств, что эти понятия неадекватны.

Схемы с Распределенной нагрузкой. В недавно изданных в Соединенных Штатах статьях2,3 утверждается превосходство так называемой "ультралинейной" выходной схемы, в которой выходные лампы используются как тетроды, охваченные нелинейной отрицательной обратной связью. Обратная связь вводится путем подключения экранирующих сеток выходных ламп к отводам на первичной обмотке выходного трансформатора. И утверждается, что это приводит к явному улучшению качества по сравнению с триодом, охваченным отрицательной обратной связью с той же глубиной.

Авторы, пишущие эти строки, не верят таким утверждениям. Подобная схемотехника, являющаяся основой американских требований к "ультралинейности" и высокой эффективности, фактически известна в Соединенных Штатах в течение нескольких лет. Была разработана методика расчета подобных схем, и они использовались в коммерчески выпускаемых высококачественных усилителях 4,5.

Основой этого подхода является распределение полного сопротивления нагрузки между электродами каждой выходной лампы для получения от нее оптимальных качественных показателей.

Наиболее простой вариант такой схемы показан на Рис. 1  

и используется фирмой Hafler and Keroes. Схема совершенно обычна, за исключением того, что экранирующая сетка тетрода может быть соединена с отводами первичной обмотки выходного трансформатора. Таким образом, возможно задать произвольный коэффициент связи между экранирующей сеткой и анодом и, соответственно, обеспечить произвольное разделение приведенного сопротивления нагрузки между обоими электродами. Если отвод подключен к точке A, то коэффициент связи равен единице, характеристики каскада соответствуют триодному включению и определяются динамическими характеристиками экранной и управляющей сеток, если отвод подключен к точке B, то коэффициент связи нулевой, и характеристики каскада соответствуют обычному тетродному включению. Если теперь перемещать точку подключения экранирующей сетки от точки B к A, будет происходить постепенное включение части нагрузки в цепь экранной сетки и постепенное изменение характеристик от тетродных в точке B к триодным в точке A.

Удобно рассматривать такой каскад, как каскад на тетроде, который охвачен отрицательной обратной связью через экранную сетку. Такой способ организации цепи обратной связи в каскаде на тетроде не является эквивалентным способу подачи напряжения обратной связи в цепь управляющей сетки. Во-первых, экранная сетка является нелинейным элементом в петле обратной связи. Во-вторых, потому что при увеличении глубины обратной связи происходит уменьшение размаха выходного напряжения вследствие отсечки анодного тока при провалах напряжения на экранной сетке, в конце концов, в пределе будут получены триодные характеристики. Соотношения, описывающие поведение такого каскада более точно, приведены в приложении.

На Рис. 2 приведены графики, иллюстрирующие влияние изменения распределения нагрузки между анодом и экранной сеткой лампы. При увеличении глубины обратной связи происходит уменьшение максимальной выходной мощности, относительного усиления и выходного сопротивления, причем, выходное сопротивление уменьшается очень быстро, потому что зависит не от относительного снижения усиления, а от его величины, которая существенно изменяется.

При постоянной выходной мощности доминирует вторая гармоника, которая медленно возрастает, пока не возникнет режим перегрузки. Так как максимальная выходная мощность прогрессивно уменьшается, то график, соответствующий уровню искажений при максимальной выходной мощности (или их процентное отношение к выходной мощности), иллюстрирует прогрессивный переход от тетродного включения к триодному. 

Из Рис. 2 видно, что коэффициент гармоник немного увеличивается, и создается впечатление нецелесообразности применения этой схемы. Похожие результаты можно получить, используя тетродное включение лампы и подав отрицательную обратную связь на управляющую сетку. Это приведет к аналогичному уменьшению выходного сопротивления и уменьшению коэффициента гармоник. Этот вывод совершенно справедлив для однотактного каскада.

(продолжение следует)

Использованы материалы с сайта (с) "NextTube"