О снижении переключательных искажений транзисторного УМЗЧ классов В-АВ

Практика показывает, что поиск причин «транзисторного» звучания только в области ООС и исходной АЧХ УМЗЧ дает результаты не всегда сопоставимые с затраченными усилиями по реализации усложненной схемотехники УМЗЧ и по подбору качественных комплектующих. Любой промышленный/самодельный усилитель имеет «свой тонкий звуковой почерк», выражающийся в лучшем (через него) звучании фонограмм определенных жанров и исполнителей музыки.

В конечном итоге, усилитель играет не последнюю роль в формировании вкуса, пристрастий владельца (меломана), а также формирования его фонотеки.

Одним из видов искажений, свойственных транзисторным двухтактным усилителям классов В-АВ, являются переключательные (коммутационные) искажения транзисторов выходного каскада, когда происходит смена активного усилительного плеча при воспроизведении верхней/нижней «полуволны» реально воспроизводимого музыкального сигнала.

В моменты смены активных плеч выходного каскада УМЗЧ (подмножества р/элементов на физическом пути сигнала) скачком меняются такие его параметры как выходное сопротивление (фактор демпфирования нагрузки), глубина ООС/исходный коэффициент усиления, фаза и т.п.

Данный вид искажений как класс отсутствует в УМЗЧ с однотактным выходным каскадом. Самое неприятное в том, что переключательные искажения обуславливаются ни чем иным как усиливаемым сигналом и их механизм влияния на качество звуковоспроизведения «де факто» доселе не анализировался с точки зрения количественных оценок. 

Математический анализ цифровых музыкальных фонограмм, проведенный с использованием качественных аудио компакт дисков показал, что в большинстве случаев смена полярности сигнала на выходе УМЗЧ происходит от 2500 до 6000 раз за 1 секунду (зависимость от спектрального состава музыкальной фонограммы — небольшая).

Ровно столько раз в УМЗЧ возникают предпосылки к влиянию переключательных искажений на его звучание, причем неизвестно в какой степени т.к. это зависит от амплитудно-временного вектора изменения выходного напряжения (относительно скоростных характеристик выходного каскада) в моменты «смены полярности выходного сигнала».

Говорить о некой области частот переключения плеч выходного каскада, строго говоря, нельзя т.к. периодичность этих моментов не определена заранее (зависит от фонограммы), но для наших рассуждений удобнее эту терминологию использовать: пусть она будет в диапазоне 2500…6000 с^-1 (Гц). Необходимо заметить, что эта частотная область соответствует максимальной чувствительности слуха. Также заметим, что уровень выходного сигнала УМЗЧ (в рамках приемлемой громкости звучания комплекса) на моменты смены полярности влияет не сильно, либо не влияет вообще.

Все данные, которые я привожу в таблицах и в тексте основаны на определенных вычислениях с помощью ЭВМ ПК. Общий объем многократно программно обработанных PCM-аудио файлов (образцов) составил около 15 Гигабайт. Для повышения точности вычислений при низких абсолютных уровнях (при манипуляциях с АЧХ) - использовалось преобразование аудиоданных в 32 битный вид без смены частоты дискретизации и/или оцифровка в формате 96кГц/24бит (реальных 18).

Так, всеми любимый «заменитель музыкального сигнала» — розовый шум имеет усредненную частоту смены полярности сигнала 8700 с^-1 (на отрезке РСМ 44100/32 длительностью 300 секунд — 2609200 переходов через 0). Таким образом, розовый шум постоянной амплитуды и не ограниченной снизу частотой спада является в 1,5–3,5 раза более жестким сигналом по сравнению с любым музыкальным с точки зрения анализа переключательных искажений в УМЗЧ.

Каким же образом можно снизить количество переходов сигнала через 0, а значит снизить в УМЗЧ количество переключательных искажений? Наверное — снизить амплитуду высокочастотных составляющих усиливаемого сигнала. Для оценки этой предпосылки проведем исследование сигналов с уменьшением ВЧ составляющих по определенному закону.

Наиболее простой способ — коррекция АЧХ линейной RC (LR) цепью первого порядка с наклоном -6дБ/октаву. Однако, применение коррекции на всем рабочем диапазоне частот 20–20000 Гц нецелесообразно т.к. приведет к значительной «потере» выходной мощности УМЗЧ и/или ухудшению соотношения сигнал/шум.

Опытным путем было установлено, что нижнюю границу начала спада АЧХ нет смысла выбирать ниже 50–70Гц. Зависимость же результатов (количество переходов через 0) от верхней границы участка «наклонной» АЧХ т.е. частоты перехода АЧХ из наклонной в горизонтальную представляет собой определенный интерес.

Мной были проведены соответствующие эксперименты по подсчету количества переходов через 0 различных сигналограмм при различных значениях верхней частоты Fв окончания спада АЧХ на входе УМЗЧ. Результаты уменьшения «в разы» переходов сигнала через 0 сигналограммы до и после коррекции АЧХ представлены в Таблице 1 и на графике Рис.1.

Особый интерес представляют данные, приведенные в колонке №6 таблицы: «Роз.шум + ФВЧ 12х12Гц + контроль уровня». Это исходный сигнал розового шума (колонка №2), усредненная частотная и уровневая характеристики которого приведены к, соответственно, усредненной АЧХ и уровневой гистограмме сигнала записей Дианы Шур (колонка №5). Период изменения амплитуды розового шума (модуляция) был выбран 600 сек или 0.0017 Гц.

А самый интерес представляет последняя колонка таблицы, где исследовался сигнал (колонка №5), в котором частота 1,25 Гц «тупо в лоб» поднята по уровню на +76дБ (добротность контура параметрической коррекции Q=2000). В полосе частот 15–20000Гц сигналы №5, №6 и №7 по усредненным амплитуде и спектру ОДИНАКОВЫ.

Несколько слов о субъективной стороне анализа исследуемых музыкальных фрагментов. Записи Земфиры и Спейс на слух кажутся яркими, жесткими, напористыми. Единственное различие между ними – способ записи DDD и AAD, соответственно. Диана Шур – типичный представитель джазового направления и звучание ее записей (DDD) открытое, свободное, размеренное. Однако, при сравнительном прослушивании аудио КД с фонограммами, соответствующим колонкам таблицы №5 и №7 отмечалось более динамичное звучание записи №7, в которой четче локализовались паузы между пассажами. Не это ли «проявление» ВПС (виртуальной постоянной составляющей), «частично восстановленной» в записи №7?

Необходимо отметить, что попытки восстановления ВПС колебательным контуром (имеется в виду практическая реализация), настроенным на некую инфранизкую частоту — бессмысленны. Невозможно во-первых: вычислить/реализовать приемлемые характеристики этой цепи для точной коррекции в определенной полосе частот, и во-вторых: в сигнал будет добавлен переходной (колебательный) процесс, отсутствующий в первоначальном (исходном) сигнале мастер-фонограммы. 

Аналогичная ситуация возникает при использовании в качестве источника сигнала проигрывателя виниловых дисков. Резонансные аспекты инфранизкочастотных искажений АЧХ воспроизведения, обусловленные приведенной массой головки звукоснимателя и гибкостью подвеса иглы, проявляются на частотах 4…15Гц с уровнем до +30дБ и добротностью 3…9 (типичное значение ИНЧ резонанса для современных головок фирмы GRADO и проигрывателя Корвет-038 составляет +23дБ на частоте 7,75Гц, добротность Q=4,5).

Для уменьшения субъективного влияния ИНЧ резонанса в данном случае следует пользоваться известными рекомендациями по тонкой настройке связки: головка+тонарм проигрывателя (утяжеление, вязкое демпфирование), либо оставить конструкцию звукоснимателя «как есть» и применить точно рассчитанные комплементарные цепи антикоррекции ИНЧ резонанса во входных или промежуточных каскадах корректирующего усилителя с последующим восстановлением ВПС.

Выводы:

1. Переключательные искажения в УМЗЧ классов В-АВ (искажения типа «ступенька» в том числе) количественно могут быть снижены путем предварительной коррекции АЧХ усиливаемого сигнала и восстановлением исходной АЧХ с помощью цепи антикоррекции, включенной между УМЗЧ и нагрузкой.
2. Предварительная коррекция наиболее эффективна в диапазоне частот от 50..70Гц до 4000…8000Гц и позволяет снизить число переключательных искажений в УМЗЧ от 3 до 30 раз, в зависимости от характера воспроизводимого музыкального сигнала.
3. Оптимальным сигналом для оценки величины переключательных искажений в УМЗЧ является розовый шум, длительностью не менее 300 секунд, амплитуда которого уменьшается до 0 на протяжении всей длительности испытательного сигнала.
4. Применение усилительных трактов с большим количеством переходных конденсаторов, а также воспроизведение записей, выполненных на аппаратуре, разработанной по подобному принципу (потеря ВПС) — увеличивает количество переходов сигнала фонограммы через 0, что приводит к росту числа переключательных искажений двухтактных УМЗЧ классов В-АВ, а это снижает субъективное качество звучания среднечастотных компонент фонограммы.
5. Использование в качестве источника сигнала проигрывателя виниловых дисков субьективно улучшает звучание УМЗЧ и объективно снижает число переключательных искажений - сдвигает их спектр в более низкочастотную область — область меньшей чувствительности слуха.
6. Применение в тракте воспроизведения грампластинок фильтров (ФВЧ) для подавления инфранизкочастотных помех с головки звукоснимателя — снижает субъективное качество звучания на средних частотах.
7. Преобразование сигнала фонограммы, воспроизведенной с грампластинок стереофонической головкой звукоснимателя, в монофонический сигнал возможно, но сведение, микширование каналов следует выполнять только после применения цепей антикоррекции ИНЧ резонанса звукоснимателя и восстановления ВПС отдельно в каждом канале (и, естественно, после устранения амплитудной и фазовой асимметрии между каналами).

Уведомляю, что на момент опубликования мне не были известны случаи проведения анализа звукового сигнала описанным способом, также не были известны ни один из приведенных мной выводов.

• искажения ачх
• коррекция усилителя
• усилитель звука на транзисторах