Главная

_______________________________________________________________________________________________

Основные требования предъявляемые к усилителям

    Качество усилителей мощности оценивают обычно несколькими основными, наиболее важными параметрами: номинальным диапазоном частот (как правило, по уровню – 3 дБ), коэффициентом гармоник и скоростью нарастания выходного напряжения. Значительно реже пользуются коэффициентом интермодуляционных искажений, выходным сопротивлением и т. п. характеристиками. Считается, что набор указанных параметров достаточно полно характеризует качество усилителей мощности.

       Что касается норм на эти параметры, то здесь выделяют два основных направления. Сторонники одного из них считают, что необходимо совершенствовать аппаратуру практически беспредельно, и создают, исходя из этого, ультра линейные усилители с коэффициентом гармоник порядка десятичных долей процента, усилители со скоростью нарастания выходного напряжения несколько сотен вольт в микросекунду. Сторонники другого направления вполне резонно отмечают, что качество звучания зависит от характеристик всех звеньев звуковоспроизводящего тракта и определяется тем из них, которое имеет наихудшие параметры. Исходя из этой предпосылки, они считают допустимым коэффициент гармоник 0,3%, а скорость нарастания выходного напряжения либо вовсе не нормируют, либо ограничивают её сравнительно невысоким значением 1…2 В/мкс. Основанием для таких норм являются стандартизированные параметры основных источников сигнала. Практика работы со звуковоспроизводящими установками показывает, что усилители с примерно одинаковыми параметрами (полосой рабочих частот, коэффициентом гармоник, скоростью нарастания выходного напряжения) при субъективной оценке «звучат» по-разному (естественно, при использовании одних и тех же источников сигнала и акустических систем). В некоторых случаях разницу в звучании обусловливают такие параметры, как коэффициент демпфирования, динамический диапазон, в других «микролинейность» амплитудной характеристики, вызванная, например, самовозбуждением на высоких частотах. Во многих случаях разница в звучании не находит удовлетворительного однозначного объяснения и не подтверждается объективными измерениями. Из этого можно сделать, по крайней мере, два вывода:

     — на качество звуковоспроизводящего тракта влияет один или несколько параметров усилителя мощности, поэтому судить о его качестве можно только по результатам субъективной (обязательно квалифицированной) экспертизы, сопоставляя звучание вновь разработанного усилителя со звучанием какого-либо хорошо изученного высококачественного, принятого за эталон;

        — нет смысла беспредельно улучшать такие объективные показатели усилителя мощности, как полоса рабочих частот, скорость нарастания выходного напряжения и т.п. Эти параметры имеют вполне определенные пороговые значения, и дальнейшее их улучшение не влияет на субъективное восприятие фонограммы.

     Каковы же пороговые значения основных параметров? Естественно, они зависят от характеристик акустической системы и самого источника сигнала. Сложно оценить пороговое значение коэффициента гармоник, который, как уже отмечалось, у основных источников сигнала может достигать 1…1,5 %. Однако, это не вполне достаточное основание считать допустимым для высококачественного усилителя мощности коэффициент гармоник 0,2…0,5 %. Более логично установить норму на этот параметр усилителя исходя из того, что все побочные компоненты выходного сигнала, обусловленные нелинейностью его амплитудной характеристики (т. е. нелинейные и интермодуляционные искажения) либо вовсе не должны восприниматься на слух, либо должны лежать ниже нижней границы динамического диапазона, на уровне собственных шумов (фона) усилителя. Очевидно, что в этом случае пороговое значение коэффициента гармоник усилителей высокого класса должно составлять примерно – 70 дБ, т.е. около 0,03%. Особо нужно подчеркнуть, что коэффициент гармоник высококачественного усилителя мощности не должен превышать порогового значения во всем диапазоне звуковых частот, т. е., по крайней мере, до частоты 20 кГц.

    Что касается малосигнальной полосы пропускания усилителя мощности, то ее влияние не столь существенно, как рассмотренных выше параметров. Действительно, задав полосу пропускания сигнала полной амплитуды, мы тем самым устанавливаем диапазон частот, за пределами которого начинается спад АЧХ при больших сигналах (или, иными словами, уменьшается максимальная амплитуда неискаженного сигнала). Однако спектр входного сигнала в этой области спадает достаточно быстро, поэтому сколько-нибудь заметные частотные искажения отсутствуют.

    Уже отмечалось, что малые нелинейные искажения и высокая скорость нарастания выходного напряжения необходимы, но еще недостаточны для высококачественного звуковоспроизведения. Что же требуется еще? В обычном усилителе мощности эффективность ООС, благодаря которой обеспечиваются высокие значения основных параметров, падает с ростом частоты. Графически это показано на рисунке 1, где заштрихованная область характеризует эффективность ООС (граничные частоты полосы пропускания усилителя без ООС и с ООС обозначены соответственно f1, и f2). На высших частотах полосы пропускания и тем более за ее пределами параметры обычного усилителя мощности ухудшаются, в частности, возрастает уровень искажений. К тому же они в этой области частот значительно заметнее, так как хуже маскируются полезным сигналом (в реальных фонограммах вблизи границы полосы пропускания спектр сигнала спадает). В результате наблюдается явление, которое разные авторы называют по-разному (хриплость, призвуки, отсутствие прозрачности звучания, неестественное звучание и т.д.), но означает оно одно и то же: ухудшение звучания на высших частотах. Чтобы как-то поправить положение, часто просто поднимают уровень высших частот регулятором тембра. При этом амплитуда высокочастотных компонентов полезного сигнала увеличивается, а среднечастотных, которые порождают гармоники, лежащие вблизи верхней границы полосы пропускания, остается практически неизменной. В результате гармоники в области высших частот маскируются полезным сигналом и субъективно звучание высших частот улучшается. Гармоники высокочастотных компонентов усиленного сигнала лежат за пределами звукового диапазона, порождаемые ими интермодуляционные продукты хорошо маскируются более мощными среднечастотными составляющими сигнала, поэтому подъем усиления на высших частотах дает эффект улучшений качества звуковоспроизведения. В высококачественном усилителе уровень гармоник меньше, и они могут маскироваться без подъема АЧХ в области высших частот. Сказанное объясняет тот факт, что одинаковое, субъективно сбалансированное по тембру звучание в разных усилителях получается при различных положениях регуляторов тембра.

Рис 1

      Очевидно, что для снижения уровня искажений на высших частотах необходимо увеличивать либо частоту , что чревато потерей устойчивости, либо общую глубину ООС, что, в свою очередь, может вызвать динамические искажения. Однако существуют способы снижения искажений на высших частотах, не связанные с использованием ООС. Один из них, получивший название «feed forward error correction» (коррекция искажений с использованием прямой связи), применен в промышленном усилителе «Квод 405». Следует отметить, что его схемная реализация, проста, а эффект компенсации искажений на высших частотах хорошо выражен.

      Несомненно, что на качество звуковоспроизведения влияет форма ФЧХ тракта. В диапазоне звуковых частот ФЧХ должна быть линейной, ее форма не должна зависеть от амплитуды входного сигнала.

Рис 2

       Одной из важнейших для любого усилителя является переходная характеристика, т. е. его реакция на скачок входного напряжения. Два возможных вида переходной характеристики изображены на рисунке 2. Одна из них (кривая 1) отличается большей скоростью нарастания выходного напряжения и колебательным характером его установления, другая (кривая 2) – меньшей скоростью нарастания, отсутствием выброса на фронте и монотонным характером установления напряжения. Очевидно, что характеристика 1 нежелательна, так как любой скачок входного напряжения в этом случае сопровождается паразитными колебаниями диффузора громкоговорителя. При экспериментах с усилителями мощности неожиданно выяснилось, что качество звучания существенно зависит от характеристик блока питания. Если один и тот же усилитель питать вначале от нестабилизированного источника с достаточно большой емкостью фильтра, а затем – от стабилизированного, то во втором случае качество звучания, оцениваемое субъективно, улучшается как на низших, так и на высших частотах. Вероятно, «просадки» напряжения на пиках сигнала, неизбежные в нестабилизированном блоке питания, вносят свою лепту в ухудшение качества звучания, несмотря на большой коэффициент подавления флюктуации питающих напряжений, свойственный всем современным усилителям.

    На качество звуковоспроизведения в известной мере влияет и стабильность режима транзисторов выходного каскада, в частности, его тока покоя. Поскольку стабилизация тока покоя – довольно сложная задача, наиболее предпочтительными для повторения следует считать усилители с выходными каскадами, работающими в режиме В.

       Резюмируя все сказанное выше, можно сформулировать следующие основные требования к усилителю мощности современного высококачественного звуковоспроизводящего комплекса. Диапазон частот при выходном, напряжении, соответствующем номинальной выходной мощности, должен быть не уже 20…20 000 Гц, коэффициент гармоник в этом диапазоне – не более 0,03 %, скорость нарастания выходного напряжения – не менее 2,5 В/мкс. Переходная характеристика усилителя должна быть гладкой (без выбросов), а ФЧХ – линейной во всем звуковом диапазоне частот.