Интермодуляционные искажения в усилителях звуковой частоты и ООС — осторожно, опасные связи
На аудиофильских сайтах принято пугать посетителей интермодуляционными искажениями, однако поскольку большинство публикаций на эту тему широко использую технологию копипаста, понять почему эти искажения возникают и чем так страшны очень сложно. Сегодня я постараюсь в меру своих способностей и объёма статьи отразить именно природу этих стрРрашных ИМИ.
Тема искажений сигнала в УМЗЧ была поднята в моей предыдущей статье, но в прошлый раз мы лишь слегка коснулись линейных и нелинейных искажений. Сегодня попробуем разобраться в наиболее неприятных на слух, трудноуловимых для анализа и сложноустранимых для проектировщиков УНЧ интермодуляционных искажениях. Причинах их возникновения и взаимосвязи с обратной связью сорри за каламбур.
Операционный усилитель как белый треугольник
Прежде чем говорить об обратной связи, сделаем небольшой экскурс в операционные усилители ОУ , поскольку сегодня транзисторные усилительные тракты без них практически не обходятся. Они могут присутствовать как в виде отдельных микросхем, так и входить в состав более сложных чипов — например интегральных усилителей низкой частоты — УНЧ .
Рассмотрим усилитель в виде чёрного ящика вернее белого треугольника, как их принято обозначать в схемотехнике, пока не вдаваясь в подробности его устройства.
Назначение выводов операционного усилителя
Неинвертирующий вход: 
Инвертирующий вход:
Плюс источника питания:
Если увеличить входное напряжение на неинвертирующем входе, то напряжение на выходе вырастет, если на инвертирующем, то наоборот уменьшится.
Обычно входное напряжение, которое необходимо усилить, подают между двумя входами и тогда выходное напряжение можно выразить следующим образом:
Где
На данном графике по вертикали отложено усиление, а по горизонтали частота в логарифмическом масштабе. Результаты работы инженеров не слишком впечатляют и применить подобный усилитель в реальности вряд ли получится. Во первых, он показывает хорошую линейность лишь за пределами частотного диапазона воспринимаемого ухом — ниже 10 Гц, во вторых, его коэффициент усиления слишком большой — 10 000 раз на постоянном токе!
Так что же делать, должен же быть выход! Да, он есть. Взять часть выходного сигнала и подать его на инвертирующий вход — ввести обратную связь.
Обратная связь — просто и сердито! Панацея от всех бед?
В данной статье не будем касаться основ теории операционных усилителей, при желании в интернете можно найти много информации на эту тему, например в цикле статей Игоря Петрова KriegeR
Ввести обратную связь в схему усилителя не просто, а очень просто. Давайте чтобы далеко не ходить рассмотрим как это можно сделать на примере из моей прошлой статьи про маленькие хитрости трассировки схем на Операционных усилителях.
Обратная связь в данной схеме подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R2, точнее делитель напряжения из R2 и R1.
Нетрудно доказать что в данная схема будет иметь коэффициент усиления по напряжению равный двум, причём он будет неизменен при усилении гармонических сигналов в очень широком частотном диапазоне. С увеличением частоты сигнала коэффициент усиления ОУ без ОС падает но остаётся многократно больше двух и это падение компенсируется автоматическим уменьшением уровня сигнала обратной связи. В результате коэффициент усиления схемы в целом остаётся неизменным. Но и это ещё не всё. Данная схема имеет очень высокое входное сопротивление, а значит практически не оказывает влияние на источник сигнала. Она также имеет весьма низкое выходное сопротивление, а значит по идее, должна сохранять форму сигнала даже при работе на достаточно низкоомную нагрузку, причём с комплексным сопротивлением — индуктивную и ёмкостную.
Неужели мы вот так просто получили ИДЕАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?
К сожалению нет, как любая монета имеет орла и решку, так и обратная связь свою тёмную сторону.
Что русскому хорошо, то немцу — смерть или немного радиотехники
В радиотехнике хорошо известен эффект взаимодействия сигналов двух различных частот, поданных на нелинейный элемент, называемый интермодуляцией . В результате получается сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты исходных сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
Полученные частоты по амплитуде меньше родительских гармоник и как правило их уровень быстро убывает с увеличением целочисленных коэффициентов m и n.
Наибольшую амплитуду будут иметь гармоники, называемые гармониками второго порядка с частотами:
и частотами гармоник третьего порядка :
В радиотехнике этот эффект широко используют для преобразования частот. Благодаря ему работают современные приёмники. Преобразование частоты происходит в смесителях, построенных на основе нелинейных элементов в качестве которых часто используют p-n переход диода, ну или транзистора. На смеситель одновременно поступает принимаемый полезный сигнал и сигнал от генератора — гетеродина.
На выходе мы получаем широкий спектр сигналов:
ИМИ (IMD) — интермодуляционные искажения
Однако, если для приёмников эффект интермодуляции жизненно необходим, в усилителях низкой частоты он вызывает возникновение нелинейных искажений, которые так и называют интермодуляционными. Ведь звуковой сигнал одновременно содержит гармоники большого количества частот, сильно отличающихся по амплитуде, а транзисторы, из которых состоит усилитель, как и диоды являются нелинейными элементами. Искажения, которые появляются благодаря описанному выше механизму, в англоязычных источниках именуют intermodulation distortion сокращённо IMD , кстати российское сокращение для них ИМИ .
Данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала, источник их появления в каждом конкретном случае гораздо сложнее обнаружить, а главное устранить.
Борются с данным эффектом применяя более совершенные транзисторы, работающие в линейном режиме и с помощью местной в пределах одного каскада усиления или глубокой общей обратной связи — мастере на все руки! Однако всё хорошо в меру — если частоты паразитных гармоник сигнала лежат в области быстрого спада АЧХ усилителя, то обратная связь может не успеть компенсировать искажение сигнала и даже сама послужить источником дополнительных искажений.
Пора нам наконец заняться исследованием тёмной стороны обратной связи
Тёмная сторона обратной связи
Для того, чтобы её обнаружить соберём усилитель по представленной выше схеме на ОУ LM324, но с немного другими номиналами резисторов обратной связи так, чтобы получить единичное усиление.
А теперь подадим на его вход прямоугольный импульс малой амплитуды, каких нибудь 100 милливольт.
Tо, что мы получили на выходе выглядит совсем не похоже на входной сигнал. Что же случилось и почему нам не помогла обратная связь? Как всегда виновата физика, её мир гораздо сложнее чем наши математические модели, основанные на грубых приближениях. Дело в том, что наш усилитель — весьма сложное устройство.
Он содержит массу паразитных ёмкостей, расположенных как внутри интегральных транзисторов, его составляющих, так и в межкаскадных связях. Природа паразитных ёмкостей очень разная, например обусловленная временем рассасывания неосновных носителей заряда в полупроводнике. Сами транзисторы, на которых построен наш ОУ, являются усилительными приборами с большой нелинейностью. Более того, свою ёмкость имеют и элементы печатной платы, особенно если при трассировке не учитывались рекомендации, изложенные в моей предыдущей статье.
В момент прихода отрицательного фронта сигнала обратная связь обнаруживает что напряжение на входе не соответствует выходному. Она резко увеличивает потенциал инвертирующего входа относительно неинвертирующего, чтобы как можно быстрее передать скачок напряжения на входе усилителя, но не успевает этого сделать поскольку ей необходимо сначала зарядить паразитные ёмкости всего тракта усиления и мы получаем завал фронта сигнала на выходе. Далее, когда входной сигнал так же резко перестаёт меняться обратная связь вынуждена эти ёмкости разряжать. Как следствие мы получаем выброс на выходе, в дальнейшем переходящий в затухающий колебательный процесс. В особо печальных случаях этот колебательный процесс может затянуться на достаточно долгое время — усилитель перейдёт в состояние самовозбуждения. В итоге в сигнале на выходе усилителя появляются новые гармоники не присутствующие на входе — нелинейные искажения.
Экскурсия в реальный мир. Общая отрицательная обратная связь в усилителе мощности звуковой частоты
Нелинейность, присущая транзисторным каскадам, вынуждает разработчиков использовать сильную отрицательную обратную связь как простейшее решение для подгонки параметров усилителя под соответствия требованиям по низкому уровню гармонических и интермодуляционных искажений разумеется измеренных по стандартным методикам. В результате промышленные усилители мощности, имеющие глубину ООС в 60 и даже 100 дБ, на сегодняшний день не являются редкостью.
Изобразим реальную схему несложного транзисторного усилителя мощности. Можно сказать что он является трёхкаскадным. Первый усилительный каскад на ОУ А1, второй на транзисторах T1-T2 и третий также транзисторный Т3 -Т4. При этом усилитель охвачен цепью общей обратной связи она выделена красным контуром, которая подаётся через резистор R6 на неинвертирующий вход ОУ. Ключевое слово здесь общей — обратная связь тут подаётся не с выхода ОУ на его вход, а с выхода всего усилителя.
В результате ОУ благодаря своему огромному усилению должен помогать справляться с разными родами нелинейностями и помехами транзисторным усилительным каскадам. Перечислим ниже основные из них:
- транзисторы в подобном включении могут работают в весьма нелинейном режиме при переходе сигнала через ноль и для слабых сигналов
- на выходе усилитель нагружен на комплексную нагрузку — акустическую систему. На схеме показан её эквивалент — сопротивление R15 и индуктивность L1
- Транзисторы работают в тяжёлом тепловом режиме и температура их корпуса существенно зависит от выходной мощности, а от температуры сильно зависят их параметры
- Ёмкости монтажа и различного рода наводки могут иметь приличное значение и ошибки трассировки легко могут привести к возникновению положительной обратной связи и самовозбуждению усилителя
- Значительно возрастает роль помех, наводимых по питанию
И ОУ помогает, но как дурак молящейся богу из известного афоризма порой уж слишком усердно. Появляются проблемы с перегрузочной способностью отдельных каскадов, транзисторы которых попадают в режим ограничения сигнала. Они выходят из линейного разумеется сравнительно линейного режима в режимы отсечки или насыщения. Выходят очень быстро, а возвращаются в него гораздо медленней, что обусловлено неторопливым процессом рассасывания неосновных источников заряда в полупроводниковых переходах. Рассмотрим подробнее данный процесс и его последствия.
Динамические интермодуляционные искажения TIM. Перегрузочная способность и эффект “клиппирования” усилителя
Перегрузочная способность усилителя это параметр, который описывает на сколько децибел номинальное выходное напряжение или мощность отличается от максимальной, когда начинаются ограничения выходного сигнала по питанию — clipping
У транзисторных усилителей перегрузочная способность невелика, особенно у оконечных и предоконечных каскадов. Номинальная мощность от максимальной часто отличается всего процентов на 40, это меньше чем 3 дБ.
Представим что наш усилитель состоит из идеального предусилителя корректора и УМЗЧ охваченного обратной связью с коэффициентом B. Важно отметить, что сигнал V1 может содержать составляющие очень высокой частоты. Предусилитель C действует как фильтр НЧ, выдавая входной сигнал V2 для усилителя A, содержащий только составляющие, попадающие в звуковую полосу частот.
Напряжение на входе усилителя мощности V2 имеет время нарастания, определяемое предусилителем, на графике видно что оно сглажено. Тем не менее, в напряжении V3, действующем на выходе сумматора, присутствует выброс, вызванный стремлением обратной связи компенсировать малое быстродействие усилителя мощности A с амплитудой Vmax
Выброс в сигнале V3 может в сотни и даже тысячи раз превосходить по амплитуде номинальный уровень входного сигнала. Он может в значительной степени превысить динамический диапазон усилителя. Во время такой перегрузки усиление других сигналов, присутствующих на входе уменьшается, вызывая мгновенный всплеск интермодуляционных искажений. Этот всплеск называется динамическими интермодуляционными искажениями TID , потому что приводит к влиянию одного сигнала на амплитуду другого интермодуляция, и зависит от временной и амплитудной характеристик входного сигнала сильнее, чем просто от амплитудной характеристики, как в случае простых интермодуляционных искажений.
В показанной схеме наибольший коэффициент усиления по напряжению имеет ОУ, тем не менее он имеет неплохую перегрузочную способность — сохраняет небольшие нелинейные искажения при размахе напряжения на выходе близком к напряжению питания. Гораздо хуже дело обстоит с каскадом на транзисторах T1 и T2 — это усилители тока, которые достаточно просто вывести из нормального режима работы, а для его восстановления может потребоваться сравнительно большое время. Выбросы напряжения обратной связи усиленные ОУ и поданные на вход этих транзисторов могут иметь очень большие значения. Они приводят к перегрузке второго каскада усиления. Т1 и Т2 могут войти в режим насыщения, потерять свои усилительные свойства, причём оставаться в нём некоторое время даже после пропадания резкого фронта входного сигнала, пока не рассосётся заряд на разного рода паразитных ёмкостях. Паразитные ёмкости и возможные элементы коррекции АЧХ тут показаны с помощью элементов R и С.
Методики измерения интермодуляционных искажений и методы борьбы с ними
Согласно стандартной методике для измерения интермодуляционных искажений на вход измеряемого объекта одновременно подаются два сигнала: низкой f1 и высокой f2 частот. К сожалению, в различных странах пользуются различными измерительными частотами. Разные стандарты предусматривают разные частоты — 100 и 5000 Гц, 50 и 1000 Гц…
Наиболее употребительным является использование частот 400 и 4000 Гц, утвержденных в стандарте DIN 45403, ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5. Амплитуда сигнала частотой f1 на 12 дБ в 4 раза больше, чем амплитуда сигнала частотой f2. В зависимости от нелинейности характеристики, в рабочей точке симметрично относительно частоты f2 образуются разностные и суммарные комбинационные колебания f2 ± f1, и f2 ± 2f1 более высоких порядков. Возникающие комбинационные колебания второго порядка с частотами f2 ± f1 характеризуют квадратичные, а третьего порядка с частотами f2 ± 2f1 — кубические искажения объекта измерения.
Также широко используется пара частот 19 и 20 КГц c равным уровнем сигнала, удобная прежде всего тем, что основной гармоникой, которая попадает в звуковой диапазон, в данном случае является сигнал с частотой 1КГц, уровень которого легко измерить.
Для подачи измерительных сигналов применяют не только генераторы, но и специально записанные в студии измерительные CD диски и даже виниловые пластинки.
Лет 30 назад для измерения коэффициента интермодуляцнонных искажений требовались сложные и дорогие приборы, доступные только в лабораториях и студиях, вот например состав измерительного стенда для усилителя звукоснимателя:
- Проигрыватель виниловых пластинок
- Измерительная пластинка
- Звукосниматель
- Корректирующий усилитель
- Полосовой фильтр
- Линейный детектор
- Фильтр низких частот.
- Ну и конечно V — вольтметр, умеющий измерять действующее значение синусоидальных колебаний!
Сегодня гораздо лучшее качество измерений может обеспечить даже простенькая 16 битная компьютерная музыкальная карта с ценой до 30 долларов в комплекте со специальной измерительной программой и несложными цепями согласования.
Описанные стандарты очень удобны для производителей звуковоспроизводящей аппаратуры без особого труда можно получить красивые маленькие цифры в паспортных данных, но не слишком хорошо отражают реальное качество усилительного тракта. Результатом конечно является развитие субьективизма — когда два усилителя или даже недешёвых аудиокарты, имеющих формально практически одинаковые параметры, на сложном музыкальном сигнале «звучат» совершенно по разному — без прослушивания перед покупкой не обойтись.
Любители энтузиасты качественного звука и отдельные фирмы производители аппаратуры высокого класса пытаются продвигать свои методики измерений, основанные на менее оторванных от реальности приближениях. Существуют мультичастотные методики, методики исследующие взаимодействие гармонической частоты и единичного импульса, на основе шумовых сигналов и другие. Однако в этот раз обсудить их подробно мы уже не успеем.
На методах борьбы с интермодуляционными искажениями мы остановимся также очень кратко:
- Подгонка схемотехники с целью получения хороших результатов для стандартных методик измерения
- Частотно — зависимая обратная связь и цепи частотной коррекции цепочки R5,C3 и R14,C8 на картинке в этой статье
- Применение цепочек местной обратной связи, охватывающей один — два каскада усиления
- Введение транзисторов в линейный режим. На нашей картинке усилителя за это отвечают диоды D1,D2 и подстроечный резистор R8. Однако эта мера чревата увеличением энергопотребления, особенно выходных каскадов
- Использование качественных и соответственно дорогих компонентов
- Ну и наконец, самый радикальный — использование ламп вместо транзисторов, как более линейных элементов. Впрочем, это отдельная большая и неоднозначная тема, достойная отдельной статьи.
Достоинства ламповых усилителей
Принципиальная электрическая схема усилителя:
Из возможных вариантов мы предпочли усилитель на выходных лучевых тетродах 6ПЗС в триодном включении. Этот аппарат явился прототипом серийной модели «Avan Elektrik Nostalgia», отличающейся от него некоторыми доработками, вызванными, в частности, технологическими требованиями серийного производства. Основные технические параметры усилителя: выходная мощность 7 Вт при коэффициенте нелинейных искажений 6%, чувствительность 0,4 В, полоса рабочих частот па полной мощности не хуже 12 Гц- 30 кГц без ООС. Выходная лампа 6ПЗС была выбрана нами, во-первых, за ее доступность и низкую (около 20 рублей на питерском радиорынке) цену. Во-вторых, за достаточно высокую линейность в триодном включении и многообещающий спектр гармоник (относительно высокая вторая гармоника и низкая третья). Напомним, что эта лампа, точнее ее прототип 6L6 разрабатывалась специально для использования в звуковых трактах. И в-третьих, за ее теплое (тут самое время вспомнить про спектр гармоник) и — все-таки не обойтись без этого слова — «музыкальное» звучание, даже в сравнении с такими серьезными соперниками, как EL34 и 6550, Два относительных недостатка этой лампы в триодном включении небольшую выходную мощность (3,5 Вт) и достаточно высокое внутреннее сопротивление (около 1,5 кОм) — мы преодолели, включив две лампы параллельно. Следует заметить, что среди российских радиолюбителей распространено необоснованное, на наш взгляд, мнение о недопустимости параллельного включения ламп. Не желая углубляться в дискуссию па эту тему, приведем простой пример. Один из самых дорогих (как-никак 330 тысяч долларов) усилителей всеми уважаемой фирмы «Audio Note», а именно «Gakuon», имеет на выходе две включенные параллельно лампы, что вовсе не мешает его счастливым обладателям наслаждаться музыкой. Так или иначе, включив параллельно лампы 6П3С, мы получили внутреннее сопротивление 750 Ом и 7 Вт триодной мощности. Ну чем не «трехсотка»?! Рассмотрим подробнее схему. Входной каскад, он же драйвер, выполнен по схеме с динамической нагрузкой (SRРР) на одном из лучших отечественных малосигнальных триодов 6Н9С. Применение SRРР объясняется не какимто нашим особым расположением к таким каскадам, а тем, что мы попробовали разные варианты (один триод с анодной нагрузкой, параллельное включение двух триодов и т.п.) и остановились на SRРР, как на обеспечившей наилучшее, по нашему мнению, качество звучания. Выходной каскад, как упоминалось выше, выполнен на двух лучевых тетродах 6П3С в триодном включении. Для того чтобы свести к минимуму нелинейные искажения, выходные лампы подобраны парами по анодному току и крутизне с точностью 1,5% и при необходимости заменяются тоже парами. Тем, у кого нет возможности подобрать лампы, советуем не расстраиваться и использовав те лампы, которые есть (желательно все же из одной партии), так как разброс параметров ламп приводит к росту в основном второй гармоники, что не должно радикально ухудшить звучание. Выбранные вами режимы работы выходных ламп могут, на первый взгляд, вызвать недоумение. В частности — напряжение на второй сетке, почти на 100 В превышает величину, указанную в справочнике. Наш многолетний опыт работы с лампами это подтверждает, к тому же стоимость 6П3С не столь велика ( в отличие от, скажем, 300В), и замена даже всего комплекта ламп один раз в несколько лет вряд ли заметно скажется на чьем-то бюджете. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор. Выходной трансформатор, конечно же, является важнейшим элементом конструкции. От него зависит, пожалуй, не меньше, чем от выходной лампы, В нашем варианте он выполнен на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали толщиной 0,35 мм (вполне подойдет и ШЛ-сердсчннк из стали ЭЗ10-ЗЗ0), ширина среднего стержня 25 мм, высота набора 40 мм. Первичная обмотка состоит из четырех секций по 510 +1190+1190+510 витков провода ПЭВ или ПЭТВ диаметром 0.28 мм. Между ними расположены три секции вторичной обмотки по 216 витков провода диаметром 0,71 мм. От 150-го витка можно сделать отвод для 4-омной нагрузки. Все секции первичной обмотки соединены последовательно. вторичной — параллельно. Между обмотками проложена конденсаторная бумага (можно использовать и обычную бумагу) толщиной 0,3 мм. После намотки катушка пропитана техническим воском (смесь парафина и церезина). Сердечник собран: Ш-пластины и I-пластины отдельно, между ними с помощью пластины из изолирующего материала выставлен зазор 0,25 мм. Это не единственно возможная конструкция выходного трансформатора, вполне допустимо использование и других конструкций, например, в последние годы получил распространение двухкатушечный вариант па ПЛ-сердечнике, имеющий определенные достоинства (впрочем, как и недостатки). В таком случае рассчитывать трансформатор придется самому. Прежде всего это сопротивление первичной обмотки по переменному току 2,5 3,0 кОм, а также ток постоянного подмагничнвания не менее 120 мА. Единственное предостережение: не используйте сердечники с площадью среднего стержня менее 10 см2 (габаритной мощностью менее 150 Вт), иначе вряд ли вы получите приемлемые характеристики на низких частотах. Блок питания собран на кенотроне 5ЦЗС, что не случайно. Практика показывает, что кенотронное питание способно существенно повысить качество звучания усилителя, какие бы полупроводниковые диоды вы до этого ни использовали. Неслучайно и самых дорогих моделях применяются именно кенотроны. Для силового трансформатора мы использовали магнитопровод Ш25 х 50, первичная обмотка содержит 770 витков провода ПЭВ днамегром 0,63 мм, повышающая обмотка 1310 + 1340 витков провода диаметром 0,315 мм, накальные обмотки — соответственно 19 витков провода 1,25 м.м для питания кенотрона, 24 витка того же провода для питания накала выходных ламп, и 24 витка провода 0,71 мм для питания накала входных ламп. Можно использовать и другой магнитопровод от трансформатора мощностью не менее 150 Вт, произведя расчет самостоятельно. Если изготовление выходных и силового трансформаторов представляется вам непосильной задачей, их можно заказать и в готовом виде, связавшись с нами по телефонам, указанным в рекламном блоке. Все детали установлены на алюминиевом шасси и соединены между собой с помощью навесного монтажа. Старайтесь максимально использовать выводы самих элементов там, где их не хватает, применяйте провод МГТФ-0,35, особое внимание уделите «земляным» цепям. Основные требования к монтажу: провода должны быть по возможности короткими и ни при каких условиях не допустимы замкнутые контуры, иначе у вас получится не усилитель, а радиоприемник. Собранная без ошибок схема настройки не требует. Желательно только проконтролировать с помощью тестера напряжения и токи в указанных точках. Если измеренные значения отличаются от приведенных на схеме не более, чем на 10%,- вес в порядке. Грубые отличия, скорее всего, указывают на ошибку в монтаже или на неисправность какого-либо элемента. Перед первым включением проверьте монтаж самым тщательным образом. Это избавит вас от острых ощущений. Если при включении ваш усилитель не подал сигналов тревоги (запах гари, искры, громкие щелчки и т. п.), дайте ему прогреться 10 15 минут и приступайте к измерениям. При правильном монтаже «земляных» цепей уровень фона в ваших АС должен быть достаточно низким. С акустической системой чувствительностью 90 дЬ он слышен, только если ухо поднести вплотную к низкочастотному динамику. В противном случае придется поэкспериментировать с расположением деталей и проводов, что иногда может занять даже несколько дней. Но так или иначе это решаемая задача, и, следовательно, вы с нею справитесь. Теперь затронем такой больной вопрос, как типы применяемых элементов. Почему больной? По этому поводу нам приходилось читать и слышать прямо противоположные мнения, начиная с того, что наши отечественные компоненты ничем не хуже (а то и лучше) самых дорогих и престижных зарубежных, и кончая тем, что без «Blak Gate» и «Multicap» нечего даже пытаться получить приличный звук. Подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки статьи, и мы ограничимся лишь некоторыми частными рекомендациями, основанными на нашем личном опыте. Типы элементов, указанные на схеме, гарантируют вам некоторый начальный уровень качества, причем вполне сравнимый с присущим некоторым недешевым зарубежным моделям. А дальше, исходя из ваших вкусов и возможностей, попытайтесь подняться на более высокий уровень. Только истребуйте от этой схемы слишком многого, и она вас не разочарует. Итак, начнем по порядку. Потенциометр, стоящий на входе, способен радикальным образом повлиять на качество звучания. К сожалению, достойной заменой дорогостоящему «ALPS» может стать разве что ступенчатый аттенюатор, скажем, на основе отечественных герконов с позолоченными контактами. Не меньшее влияние на звук оказывает и замена переходной емкости. Если у вас есть возможность, советуем попробовать «Multicap RTX» или «Jensen». Они звучат весьма поразному, но каждый из них, на наш взгляд, заслужил свою высокую репутацию (и высокую стоимость). При всем нашем патриотизме мы не можем согласиться с теми, кто утверждает, будто наши К40У-9 (КБГ, ФТ, ФГТИ и многие другие) лучше (как вариант — не хуже), чем вышеназванные «Multicap», «Jensen» и т.п. Предполагаем, что заявления такого рода вызваны недостаточно высоким качеством используемых при тестировании звуковых трактов, В блоке питания прекрасно зарекомендовали себя наши МБГО (МВГВ, МБГВ, МБГН, еще лучше КБГ-МН и т. п.), если закрыть глаза на то, что они займут полкомнаты. Несмотря на наше бесконечное уважение к «Вlаск Gаtе» серии «WKZ», язык не повернется рекомендовать их в силу запредельной стоимости. Советуем приберечь их для более продвинутых конструкций, а сюда поставить что-нибудь попроще, например «Rubikon» или «Nichicon». И наконец, если для монтажа вы прибегнете к какому-либо ОFС-проводу известной фирмы (на ваш вкус) и припою «WBT» или «Audio Note», хуже не станет. Несколько слов по поводу акустических систем, которые могут использоваться с этим усилителем. Говорят, что только высокочувствительные (93 дБ и выше) акустические системы способны раскрыть возможности маломощных ламповых усилителей. Бесспорно, чем выше чувствительность ваших АС, тем меньшая мощность требуется от усилителя для создания одинакового уровня звукового давления и тем меньше, соответственно, будут искажения. Но вот беда, не всегда более чувствительная акустическая система оказывается лучшей по звуку. Как же быть? Вдомашнем комплекте одного из авторов описываемый усилитель длительное время работал с аккустическими системами на динамических головках «Peerless» чувствительностью 80 дБ, воспроизводя музыку различных жанров, включая хард-рок на повышенной громкости, и проблем с передачей динамических контрастов не было. На выставке «Российский HIGH-END 2000» усилитель «Nostalgia» демонстрировался в комплекте с акустическими системами чувствительностью 87 дБ в зале площадью никак не менее 50 м2 и к изумлению многих, к нашему в том числе, на большинстве фонограмм он смог обеспечить необходимую громкость, не заходя в «клиппинг». Так что если предельная громкость не является для вас главным критерием оценки качества звучания, используйте ту акустическую систему, которая у вас есть, и, возможно, вы будете приятно удивлены. На самом деле удивляться не стоит, субъективное восприятие громкости звучания ламповых усилителей существен но отличается от восприятия громкости транзисторных. Наиболее часто называемая субъективная оценка мощности. Надеемся, что развеяли ваши сомнения. Существует другая проблема, на наш взгляд, не менее важная. Сочетание высокого (3 Ом) выходного сопротивления усилителя с высокой добротностью акустической системы иногда может принести к нежелательному подъему на низких частотах, попросту говоря, к гудению. В подобных случаях обвинение чаще всего надает на усилитель, хотя нам кажется, что акустическая система виновата не меньше. Точнее, это проблема взаимного согласования усилителя и акустической системы. Существует несколько способов се решения. Наиболее простой — введение неглубокой обратной связи, уменьшающей выходное сопротивление усилителя до приемлемого уровня. Как же так, скажете вы, ведь мы только что отказались от обратной связи по идейным соображениям. Что ж, в данном случае мы предлагаем пойти на компромисс, учитывая, что в большинстве случаев достаточно глубины ООС в 2-3 дБ. Но для убежденных противников ООС приведем и более радикальное решение — самосюятелыю нзготонигь акустическую систему с пониженной добротностью специально для эксплуатации с усилителями без обратной связи. Если такая перспектива вас не пугает, мы, со своей стороны, готовы опубликовать один из возможных вариантов конструкции подобной системы на страницах журнала.
УСИЛИТЕЛЬ R1-МЛТ 0,5 470 кОм C1-47 мкФ, 450 B R2,R3-МЛТ-0,5 1,5 кОм C3-1000 мкФ, 63 B R4-МЛТ 1 20 кОм C2-0,15 мкФ, 250 B R5-МЛТ-0,5 220 кОм C4-300 пФ(К78) R6,R10-МЛТ-0,5 1,0 кОм R7,R11-МЛТ-1 100 Ом R8,R12-МЛТ-0,5 22 Ом R9-ПЭВ 10 240 Ом R13*-МЛТ-0,5 30-120* кОм V1,V2-6Н9С V3,V4-6П3С С2-(К72 П6, К72 П9) C1,C3 (К50-27, К50-37, К50-42, Rubicon, Nichicon, Jamicon)
БЛОК ПИТАНИЯ V1-5Ц3С L1,L2-2,5 Гн x 0,14 А C1,C2,C3-220 мкФ, 450 B C4-47 мкФ, 100 B R1-МЛТ-1 300 кОм R2-МЛТ-1 43 кОм C1,C2,C3- (К50-27, К50-37, К50-42, Rubicon, Nichicon, Jamicon)
Самодельные ленточные наушники с ламповым усилителем
Излучатели звука ленточного типа довольно часто путают с изодинамическими преобразователями, хотя они обладают существенными отличиями. Ленточный динамик имеет в своей конструкции согласующий трансформатор, у изодинамика таковой отсутствует.
Типичный ленточный излучатель представляет собой полвитка плоской катушки (ленты) без подложки (подвеса). Классический изодинамический излучатель выполнен в виде напыленной на лавсановую (майларовую и т.п.) подложку плоской катушки, состоящую из нескольких витков. Магнитная система так же различается: у ленточных динамиков она находится по бокам излучателя, а у изодинамиков – магниты расположены впереди и позади мембраны.
Наушники изодинамического типа популярны во всем мире и высоко ценятся любителями качественного звука. Так же существует множество успешных попыток их изготовления в домашних условиях. Но и наушники ленточной конструкции так же можно изготовить самостоятельно из общедоступных материалов.
Автором предпринята попытка расширить горизонт возможностей ленточных излучателей и в частности обратить внимание на создание ленточных наушников в бытовых условиях. Ниже приводится принцип изготовления наушников такого типа.
Основой для излучателей послужит обычная металлическая сетка, например от решеток, закрывающих динамики или т.п. На вырезанные по шаблону обычных наушников овальные металлические сетки приклеиваются магниты, в данном случае размером 30х5х5 мм. Затем на диэлектрические площадки толщиной 2.5 мм приклеиваются полоски из медной фольги, которые в свою очередь так же располагаются возле магнитов:
Через полученные основания просверливаются отверстия и вставляются мелкие болты.
Гофрированная лента из обычной алюминиевой фольги («Саянская», бытовая для запекания) толщиной 9 мкр и шириной 20 мм располагается между рядами магнитов и фиксируется (прижимается к медным площадкам) гайками через реечки (материал — обычная деревянная линейка).
Выступающие излишки ленты можно обрезать, а сверху магнитной системы уложить защитную металлическую сетку. Она будет предохранять ленту от внешних механических воздействий.
Аналогичным образом производится сборка второго излучателя. Затем выполняется монтаж излучателей к подходящему оголовью.
Напомним, что лента-мембрана имеет очень низкое сопротивление — сотые доли Ома, поэтому проводники до усилителя должны быть с меньшим сопротивлением (и соответственно большим геометрическим размером), чем у обычных наушников. В качестве таких проводников были использованы алюминиевые ленты (в строительных магазинах называется «алюминиевая клейкая лента») на бумажной основе, шириной 50 мм и сложенные вдоль пополам.
Алюминиевая фольга остается внутри, а наружный бумажный слой является изолятором, что является обязательным условием, так как проводников надо по два на каждый излучатель и замыкания недопустимы.
Сложенная лента одевается на выступающий медный контакт наушников (с обеих сторон) и прижимается рейками к нижнему ряду крепежа при помощи гаек.
Низкое сопротивление лент в излучателях не позволяет подключить их напрямую к усилителю без согласующих трансформаторов. Однако классический ламповый усилитель уже имеет в своем составе выходные трансформаторы. Поэтому логично использовать их в совместной работе. Для этого выходные трансформаторы УМЗЧ рассчитываются под более низкоомную нагрузку, чем обычно.
В качестве усилителя для наушников использована схема на лампах 6н16б и 6н7с.
Схема имеет избыточный коэффициент усиления, который «расходуется» на линеаризацию электрического сигнала при помощи обратных связей. Что не только повышает качество звучания УМЗЧ, но и улучшает микродинамику — усилитель работает как экспандер сигнала. Подчеркивает очень тихие звуки, которые обычно остаются за пределами заметности слухового аппарата слушателя.
Конструкция усилителя так же позволяет подключить обычные наушники, что позволяет провести сравнительную оценку.
Выходной трансформатор каждого канала выполнен на железе дросселя Д45 ШЛ20х20 и имеет первичную обмотку 3000 витков провода ПЭЛШО 0.07 и вторичные обмотки:
- 6 витков описанной выше и сложенной вдвое (вдоль) алюминиевой клейкой ленты на бумажной основе
- 85 витков провода ПЭЛ 0.45 (для ООС и выход под обычные наушники импедансом от 6 Ом и выше).
Порядок намотки выходных трансформаторов:
- 500 витков первичной обмотки.
- Заранее подготовленный отрезок длиной 5 м ленты (сложенной вдоль пополам, бумажной основой наружу) складывается поперек пополам, отмечается середина. Затем прикладывается полученным центром к каркасу и делается намотка лентой 6 витков. Можно сделать смещение, что бы получить после намотки одинаковую длину концов проводников.
- 85 витков вторичной обмотки.
- Оставшееся количество (2500) витков первичной обмотки.
Общий вид прототипа представлен ниже
Фото с фронтальной стороны ленты:
Что ещё известно про ленточные излучатели? В природе существуют ленточные пищалки. Отдельные знатоки слушали СЧ/ВЧ столбики типа «Bohlender-Graebener Radia FS-420». Гуру аудиомаркетинга могут нас отослать на ознакомление с продукцией фирмы Transmissionaudio (The ribbon speaker company), которая предлагает инсталляцию из лент (общей длиной 68 метров !) и из 652 сверхсильных магнитов. Тем не менее, даже такой фундаментальный пример реализации ленточных излучателей не предназначен для воспроизведения низких частот.
Поэтому первое, что ждем при тестовом прослушивании такого типа наушников — как там бас?!
И он есть! Очень четкий и основательный. Заметим — у наушников открытого типа. Хочется добавить громкости … и тут, как говорится, ложка дёгтя. Высота магнитов всего 5 мм и при большой громкости лента вылетает за магнитный зазор и начинает стучать об основание-сетку. Разочарование? Нет! Можно поставить магниты высотой 10, 15 или 20 мм! Будет немного дороже, но это того стоит — увеличится не только свободный ход, но и чувствительность излучателей за счет более мощной магнитной системы. Любителям громких прослушиваний с фундаментальным басом рекомендуется именно этот вариант.
А что с высокими и средними частотами? А там как у обычных ленточных динамиков – всё детально и прозрачно ясно.
Таким образом, приобретя бас, не произошло потери в качестве остального частотного диапазона, что, конечно же, радует конструктора данного устройства. А он, в свою очередь всегда готов поделиться с остальными любителями звука отличной идеей.
Присоединяйтесь. Пробуйте и делитесь полученными впечатлениями от звука.
zZQ hGp Iqw Nlp Shr sMq 6Ho f1F MRH Gwm 1Tx hnT r4k 83e X4j lmr afx gZm Cai rzj WBK sd5 Wjo zsw fpx Egx Wdw ZXO VR1 Y9W JZ6 EUv FCk nYY 73M hYp 3S2 wLB KGD g8v Ycq a2p Y9W 7Ay pBn Um3 8QJ 0LM SfM 6uY 4Zh UId 9XM LnA DbS Vo4 Eqm 2Qn hXf
