Усилитель

Печать

Усилитель – прибор, который находится между источником звукового сигнала и акустической системой, безусловно, играет значимую роль в процессе звуковоспроизведения.  Конечно, его прямая задача – усиление мощности, но как согласующее звено усилитель способен повлиять не только на качество проходящего через него звукового сигнала, но и на функционирование компонентов, сопряженных с ним. В связи с такой разносторонней нагрузкой к усилителю мощности целесообразно предъявить следующие базовые требования: во-первых, он не должен исказить или утратить звуковую информацию, поступившую для усиления; во-вторых, обеспечить по возможности оптимальное согласование с подключенной к нему акустической системой; третье – создавать достаточный уровень мощности при разумном энергопотреблении. Существующие на данный момент конструкции усилителей по-разному справляются с поставленными выше задачами. Двигаясь по исторической лестнице, от истоков к современности, рассмотрим основные виды усилителей мощности и дадим им объективную оценку.

Ламповые усилители. С них все начиналось.

01Истории было угодно, чтобы первым электронным средством усиления сигнала стал электровакуумный прибор (лампа) -  элемент конструктивно более сложный, чем его современный полупроводниковый собрат-транзистор. Именно ламповому усилению широкие массы меломанов обязаны открытием нового качественного уровня в воспроизведении звука. Ламповая эра на пике своего развития породила принципиально новый класс аппаратуры, именуемый High Fidelity - «высокая верность» или Hi-Fi. И действительно, аппаратура этого класса позволила воспроизводимой через нее фонограмме звучать очень близко к оригиналу.

Тем не менее, заслуживая почтительного уважения за вклад в мировое техническое развитие, данный вид усилителей все же имеет ряд характерных недостатков:

1) Недостаточная линейность.

Будучи неспособным адекватно реагировать на изменяющуюся сложным образом комплексную нагрузку (чем на деле является акустическая система), любой ламповый усилитель при передаче реального музыкального сигнала имеет заметную нелинейность частотной характеристики и избирателен в отношении АС. Пики и провалы АЧХ создают неточность при передаче информации, а значит - применение такого типа усиления не вполне удовлетворяет критериям высококачественного воспроизведения звука, где во главу угла поставлена наивысшая достоверность.

2) Малая мощность.

Проблема невозможности получения достаточной мощности от ламповой аппаратуры при неизменном качестве – наиболее уязвимый аспект ламповой схемотехники. Максимальная мощность по-настоящему качественного лампового усилителя не превышает 10 ватт, а обычно еще меньше. Кроме того, любая лампа при работе сильного нагревается и это создает дополнительные трудности при создании мощного эталонного усилителя на лампах  с приемлемым энергопотреблением.

3) Ограниченность ресурса.

Работа электровакуумного прибора основана на принципе термоэлектронной эмиссии, а значит - работоспособность любой лампы ограничена. Срок службы ламп чаще всего не превышает 1000 часов, а у многих - еще меньше. Рано или поздно, требуется замена, и как следствие - согласование режимов, подбор параметров по идентичности, прогрев и т.п.

4) Дрейф параметров.

Исходя из утверждений предыдущего пункта, в процессе работы любая лампа медленно изменяет свои параметры, что неизбежно сказывается на качестве усиления. Любой, даже идеально настроенный, ламповый усилитель по прошествии некоторого времени перестает соответствовать установленному уровню качества. Поскольку дрейф параметров - процесс плавный, то никогда нельзя гарантировать стабильность качественных показателей в любой момент времени. В такой ситуации пользователь обречен на постоянные сомнения и тревоги относительно текущего состояния своего лампового оборудования.

5) Выходной трансформатор низкого качества.

Как известно, необходимый и обязательный компонент ламповых усилителей – выходной трансформатор является источником многих проблем. В их числе: высокая частотная нелинейность, ограниченность частотного диапазона - как со стороны низких, так и высоких частот; заниженные демпфирующие характеристики, необходимые для стабильной работы АС; присущие трансформаторам нелинейные искажения (явление гистерезиса и насыщения в магнитопроводе); значительный вес и неоправданно высокая себестоимость изделия. Обойдя сложные умозаключения и физико-математические выкладки, неуместные в рамках формата данной статьи, удовлетворимся окончательным утверждением, что достаточно качественный выходной трансформатор мощного лампового усилителя – вещь, трудно реализуемая в условиях серийного производства и потому - чрезмерно дорогая. По этим причинам ламповая техника отныне и навсегда останется уделом энтузиастов-самодельщиков, переставая носить массовый характер, склоняясь к понятиям «винтаж» и «раритет».

Современные транзисторные усилители.

Множество технических решений, реализующих усиление при помощи полупроводниковых элементов (транзисторов) можно разделить на классы по основополагающему признаку – способу организации выходного каскада:

Класс А. Этот класс характеризуется пониженным КПД в угоду качества. В его рамках возможна реализация усиления с малым уровнем нелинейных искажений, широкой полосой пропускания и плоской частотной характеристикой. Достаточность применения незначительной по глубине отрицательной обратной связи позволяет умерить масштаб проблем, с ней самой связанных. Транзисторные усилители класса А признаны за высокие качественные показатели, но, как и ламповые, имеют проблемы с недостатком мощности и избыточным выделением тепла. Эффективность усилителей данного класса редко превышает 20%, а максимальная мощность 20 ватт.

АВ и В - родственные классы. Они характерны для двухтактных схем, когда для усиления каждого полупериода сигнала (положительного и отрицательного) используются отдельные элементы (каскады) усиления с пониженным током покоя Io, а значит более высокой, чем у класса А, эффективностью (до 70%). КПД(В)>КПД(АВ)>КПД(А). Используя современные технические средства, при реализации этих классов удается достичь качественных показателей не хуже, чем у усилителей класса А. Однако, для обеспечения стабильных параметров работы требуется применение обратной связи с большей глубиной и охватом, что может отрицательно сказаться на звуке.

Класс D – самый сомнительный с точки зрения качества класс. В этом режиме форма тока выходных транзисторов принимает вид прямоугольных импульсов: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала у современных силовых транзисторов очень мало, поэтому считается, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД наиболее экономичных образцов усилителей класса D равен 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности.

Схема усилителя в классе D не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука из-за высоких нелинейных искажений, даже при охвате её обратной связью. К тому же, в отличие от традиционных усилителей, способных в некоторой степени подавлять нестабильность напряжений питания, в усилителях описываемого класса низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его по амплитуде. В борьбе с этими проблемами естественным развитием подхода класса D к усилению стал полный переход к чисто цифровой обработке выходного сигнала, для которого характерно приведение к аналоговому виду уже непосредственно на выходе.

Несколько слов об обратной связи. Негативное влияние отрицательной обратной связи (ООС) распознается чаще всего только на постоянно изменяющемся во времени сигнале, которым и является реальный звуковой сигнал. При рассмотрении эффекта, получаемого от применения ООС на периодическом сигнале, типа синус, ее влияние оценивается преимущественно с положительной стороны.  В реальности, под воздействием ООС, изменчивая последовательность электрических токов сильно искажается. Такой вид искажений называется «интермодуляционным». При участии обратной связи  коэффициент искажений этого рода может достигать 25%. В такой ситуации о высокой верности передачи информации говорить не приходится. К тому же, благодаря ООС, по тракту усиления распространяются резонансные отклики, генерируемые звуковыми катушками динамических головок. Возбуждения посылаются обратно в усилитель через канал обратной связи, попадают на его вход, усиливаются и вновь оказываются на клеммах динамиков.

Проводя собственные исследования, в лаборатории WALab выяснили, что помимо перечисленных выше недостатков, на качество звука так же оказывает негативное влияние непосредственно сам резистивный делитель R1/R2, классически образующий петлю ООС. От такого решения стоит отказаться по причине его бесперспективности.

Итак, по итогу изложенного материала можно сформулировать основные критерии создания современного усилителя мощности высокого качества:

  • минимизация числа каскадов усиления;
  • ограничение по использованию ООС;
  • класса АВ, как наиболее удовлетворяющий всем критериям качества.

Основываясь на значительном личном опыте в разработке электронных аудиосхем, не ища противоречий между различными методами в подходах к конструированию но стремясь объединить лучшие мировые достижения, разработчики компании WagnerAudioLab создали собственную принципиально новую идеологию (концепцию) построения усилительных устройств. Простота, оригинальность, непредвзятость, разумный компромисс в угоду конечному результату – вот критерии подхода к решению задачи усиления, реализованной специалистами WALab.

Структурно идею усиления от WALab можно представить в виде несложной блок-схемы, состоящей из двух основных элементов: входного трансформатора, обеспечивающего необходимую амплитуду сигнала и силового драйвера с коэффициентом усиления К=1, создающего усиление только по току. Роль входного трансформатора, конечно, возложена на запатентованную разработку WALab – Супертрансформатор. Силовой драйвер - топологически компактная схема на полевых транзисторах, охваченная обратной связью. В данном случае, наличие ООС представляет собой тот самый «разумный компромисс», поддерживающий жизнеспособность оригинального решения, но не портящий звук. Компромисс оказался совершенно уместен, потому что здесь ООС не является общей (подаваемой с выхода усилителя на его вход), а носит местный характер, охватывая лишь небольшой фрагмент схемы. В итоге отрицательное воздействие ООС оказывается сведено к абсолютному минимуму еще и потому что К=1.

На пути к совершенствованию усилительных схем, разработчики WALab пошли еще дальше, применив  симметричное (балансное) решение, которое предполагает взаимное уничтожение малейших привнесений тракта усиления. Таким образом, на выходе имеем чистейший, усиленный до необходимого уровня, сигнал полностью идентичный входному. Без потерь и искажений! Данный новейший тип усилителя следует рассматривать как отдельный тип, считая его ультрасовременным.

Подводя итог, имеем честь засвидетельствовать, что в очередном изделии компании WagnerAudioLab произошло слияние передовых достижений всех периодов эры Hi-Fi. Утвердившись на принципиально ином, недосягаемо высоком качественном уровне, разработки нашей лаборатории ознаменовали переход в новейшую эру идеального качества на основе сплава лучших идей и достижений научной мысли в области звукотехники и электронных технологии. Господа, отныне настала эра WagnerAudio!