Усилитель. Тайны черного ящика, статья. Журнал "АудиоМагазин"

В стандартах на усилители, как международных, так и отечественных, присутствует до сотни параметров, долженствующих, по замыслу специалистов, характеризовать качество этого устройства. Правда, ныне стандарты — это некий ориентир, поскольку они оговаривают больше методику измерения параметра, а не конкретное его значение, достижение которого служит неоспоримым свидетельством принадлежности аппарата к некоей категории, например Hi-Fi, столь дорогой аудиолюбителю со стажем.

В почти полуторавековой истории звуковоспроизведения чисто механическая эпоха закончилась относительно быстро. Эра электроники началась с изобретения Ли де Форестом триода в 1906 году. Вся история эволюции техники усилителей — это бесконечный выбор между качеством, которое в эпоху хай-фай рассматривалось как наилучшее приближение к оригиналу, то есть живому исполнению музыки, и эффективностью. В роли усилительных элементов используются лампы или транзисторы (дискретные либо в виде интегральных микросхем), причем возможны различные их комбинации в одном устройстве. Но количество аналоговых режимов их работы или классов при этом всего два: А и В. При работе в классе А усилительный элемент в большей или меньшей степени открыт и действует в течение всего периода сигнала. Во всех каскадах предварительного усиления используется только класс А. Если говорить об усилителе мощности, то этот класс фатально неэффективен: полезная мощность, отдаваемая в нагрузку (громкоговоритель), составляет не более одной пятой. То есть для питания стереоусилителя с выходной мощностью 100 Вт потребуется около 1 кВт. В классе В для усиления каждой полуволны используется свой элемент. Положительную полуволну усиливает один, а другой, предназначенный для усиления отрицательной, в это время закрыт, а потом они меняются местами. Подобный вариант позволяет повысить эффективность теоретически до 78%.

Производители дорогой техники предлагают усилители мощности с переключением режима выходного каскада из класса А в класс В. Чтобы снизить влияние специфических для класса В искажений, используется комбинированный класс АВ: для малых амплитуд сигнала усилитель работает в классе А, а для больших — в классе В. Но эффективность такого усилителя, естественно, падает, и мощность в классе А в разы меньше, чем в классе В. Существует еще импульсный класс D, в котором на практике используются только транзисторы, хотя теоретически могли бы быть и лампы. В усилителях этого класса выходные транзисторы функционируют как ключи, которые либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Вследствие того что в таком режиме работы практически отсутствует выделение тепла, эффективность усилителя приближается к 100%. Это отличает его от «частично проводящих» устройств классов А или В.

Поскольку непрерывный музыкальный сигнал невозможно воспроизвести только включением/выключением каскада, усилители класса D представляют его, изменяя временной отрезок между переключениями электронного ключа. Такой процесс называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, или, по-английски, PWM). Американский автор статьи, где описывался один из первых вариантов звукового усилителя, работающего в классе D, приводил следующий аргумент в его пользу: при замене каждого из миллиона усилителей мощности, которые есть у жителей Чикаго, снижение энергопотребления позволит остановить электростанцию на Ниагарском водопаде. Типов искажений сигнала в усилителе несколько, но обычно технически подготовленные покупатели обращают внимание в первую очередь на нелинейные искажения (используя кальку с английского, они называются также общими гармоническими искажениями), хотя, на наш взгляд, они не являются главными. Величина этих искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (КНИ), который представляет собой выраженное в процентах отношение эффективной амплитуды высших гармоник на выходе устройства к эффективной амплитуде сигнала основной частоты при воздействии синусоидального сигнала этой частоты на вход устройства. Указанный параметр позволяет количественно оценить нелинейность передаточной характеристики, которая проявляется в возникновении в выходном сигнале спектральных составляющих (гармоник), отсутствующих во входном сигнале, то есть происходит изменение спектра входного сигнала. Это объективные гармонические искажения, физически присутствующие в воспроизводимом звуковом сигнале. Однако существует еще орган слуха человека, который является нелинейной системой. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии на барабанную перепонку синусоидального звука с некоей частотой в слуховом аппарате зарождаются гармоники этого звука с частотами в два, три и т. д. раза больше. Поскольку в первичном воздействующем тоне нет этих гармоник, они получили название субъективных гармоник. При росте интенсивности основного тона величина субъективных гармоник резко увеличивается и может даже превысить его. Это обстоятельство дает основание для предположения о том, что из-за нелинейности слуха звуки с частотой менее 100 Гц ощущаются не сами по себе, а из-за создаваемых ими субъективных гармоник, попадающих в область частот свыше 100 Гц. КНИ современных усилителей обычно располагается в пределах от 0,001 до 2%. Для усилителей уровня Hi-Fi международные стандарты (МЭК 581-6 и др.) устанавливают норму на искажения в 0,7%. Для субъективной оценки заметности искажений при прослушивании своей домашней системы можно использовать специальные записи с привнесенным, строго установленным уровнем искажений. Например, на тестовом CD «MY DISC» (фирма Sheffield Lab) имеется дюжина дорожек с записями отдельно синусоидального и музыкального сигнала с уровнями искажений 0,03%, 0,1% и так далее с постепенным увеличением вплоть до 10%. Внимательное и критическое их прослушивание может дать незаменимый опыт оценки звучания.

Стандарты предусматривают измерение еще и интермодуляционных искажений, коэффициент которых показывает, как влияют низкочастотные сигналы большой амплитуды на усиление слабых высокочастотных сигналов. Это более важный параметр для усилителя, предназначенного для звукоусиления, поскольку в музыкальном сигнале присутствует практически весь слышимый спектр, а не только какая-то одна частота, для которой измеряются КНИ. Один английский специалист предлагал в журнале «Wireless World» измерять искажения при воздействии трехчастотного сигнала. Результаты его эксперимента показывали, что усилители (он тестировал известные и популярные модели), имеющие одинаковые коэффициенты нелинейных и интермодуляционных искажений, при измерении по его методике дают существенно отличающиеся результаты. Однако чиновники МЭК не приняли это предложение в качестве стандарта — возможно, под давлением крупных производителей аппаратуры. Для нормальной работы электронных ламп выходных каскадов усилителей мощности (в пределах допустимых напряжений и токов) требуется достаточно высокое сопротивление нагрузки, тогда как сопротивление пассивных акустических систем мало: номинальное варьируется от 4 до 16 Ом, а на отдельных частотах может падать и ниже 1 Ом.

В качестве согласующего элемента, позволяющего получить большой ток в нагрузке, применяется выходной трансформатор с высокоомной первичной и низкоомной вторичной обмоткой. Такой трансформатор — настоящее произведение инженерного искусства, поскольку в отличие от силового трансформатора в блоке питания он должен обеспечивать передачу сигнала во всем звуковом диапазоне частот и лаже выше. Можно исключить этот дорогой в силу своей сложности и критичный элемент схемы, используя бестрансформаторный выход (англоязычное обозначение — OTL), при котором в выходном каскаде несколько ламп работают параллельно на общую нагрузку, обеспечивая необходимый ток. Характерным примером здесь является стереоусилитель мощности итальянской фирмы GRAAF GM 200: чтобы дать мощность по 200 Вт на канал при нагрузке 8 Ом, на выходе работают тридцать две лампы PL504 — по восемь в каждом плече выходного каскада. Заметим, что для мощных транзисторов проблемы выходного трансформатора не существует: они в состоянии обеспечить необходимый ток в нагрузке. А сколько нужно ватт на выходе усилителя, чтобы получить достаточную громкость звучания при воспроизведении в жилом помещении? Это зависит в первую очередь от чувствительности акустики, а также от размера помещения и его акустических характеристик.

Необходимо учитывать, что цена усилителя зависит от выходной мощности (практика показывает, что разумная стоимость стереоусилителя — приблизительно два доллара за ватт выходной мощности) и что в то же время «большая мощность» и «хорошее звучание» не всегда являются синонимами. С одной стороны, максимальное предложение по числу моделей на рынке лежит в диапазоне от 100 до 150 Вт на канал, но реальная потребность может оказаться меньше, чем представляется на первый взгляд. При фоновом воспроизведении тихой музыки в комнате площадью 30 м2 уровень звукового давления составляет приблизительно 60 дБ, что обеспечивается двумя акустическими системами средней чувствительности и стереоусилителем с выходной мощностью всего лишь 3 мВт на канал. Звукорежиссеры при сведении мастера обычно проводят контрольное прослушивание при уровне громкости 80 дБ или чуть выше. Для домашнего воспроизведения с такой громкостью мощность усилителя должна быть увеличена до 2 х 0,3 Вт, а громкая музыка (90 дБ) требует мощности 2x3 Вт. Заметим, что большой симфонический оркестр в концертном зале не создает звуковое давление более 95 дБ, для чего в нашем примере потребуется усилитель с мощностью 10 Вт на канал.

А зачем же тогда нужна солидная мощность? Для правильного воспроизведения коротких пиков, превышающих средний уровень на 10 дБ и более. На практике необходимая выходная мощность усилителя зависит от требуемого уровня звукового давления и эффективности громкоговорителей. Тут, как ни крути, акустика — самое важное звено. Приведенные выше данные эассчитаны для систем с чувствительностью 86—87 дБ. Эта характеристика измеряется в специальной безэховой камере при подаче на акустику тестового сигнала мощнотью 1 Вт. В обычной комнате такая система обеспечит сколько меньшее звуковое давление (85 дБ). Здесь местно привести несколько общих сведений об эффективности акустики различных конструкций. Акустические системы с закрытым корпусом (acoustic-suspension) обычно имеют чувствительность 83...87 дБ. У акустики с фазоинвертором (vented, bass-reflex) чувствительность может находиться в пределах 88—93 дБ, а у рупорных моделей она еще выше. Правило расчета мощности очень просто. При каждом увеличении звукового давления на 3 дБ мощность усилителя должна удваиваться, а на 5 дБ — утраиваться (заметим, что разница в 1—2 дБ практически незаметна при работе с хорошим 30—40-ваттным усилителем). При этом необходимо учитывать возможности акустики: большинство АС категории Hi-Fi неспособны воспроизводить звук с уровнем более 100 дБ без роста искажений. Так что если ваша акустика имеет чувствительность 90 дБ, то для получения уровня 100 дБ достаточно усилителя с половинной мощностью 2 х 15 Вт вместо 2 х 30 Вт. А усилитель с выходом 2 х 60 Вт на такой акустике обеспечит вам уровень уже в целых 106 дБ! Я думаю, теперь ясно, почему ламповый усилитель, работающий в классе А с мощностью 2 х 15 Вт, при соответствующем подборе акустики удовлетворит владельца практически во всех случаях домашнего воспроизведения. Что же касается помещения, то дать точную оценку весьма затруднительно. Понятно, что для озвучивания большего помещения требуется и большая мощность. Ориентировочно можно принять, что в жилых комнатах это соответствует разнице звукового давления около 5 дБ (напомним: разброс по мощности в три раза!).

Подготовлено по материалам журнала "АудиоМагазин", №4 2012 г. www.audiomagazine.ru