Метод оценки нелинейности амплитудной характеристики УМЗЧ
А.И. Пахомов, г. Зерноград, Ростовская обл. Загадка "транзисторного" звучания усилителей мощности ЗЧ волнует умы уже не один десяток лет. За это время предложены многочисленные конструкции УМЗЧ с "малыми искажениями", "высокими динамическими характеристиками" и т.д. Сегодняшней тенденцией является выпуск ИМС, представляющих собой практически готовый усилитель ЗЧ, вплоть до самых мощных и высококачественных TDA7294, LM3886 и др. В этих условиях на первый план выходят методы оценки УМЗЧ. Почему один усилитель "звучит", другой – нет, хотя, казалось бы, его параметры лучше? О некоторых характеристиках транзисторных УМЗЧ и нестандартном подходе к оценке их качества пойдет речь в настоящей статье. Как известно, качество звуковоспроизведения с помощью электронных усилителей мощности, особенно транзисторных, оставляет желать лучшего. Всякий, кто слышал "живое", не отягощенное электроникой, звучание струнного или духового оркестра, ощутил мощное эмоциональное воздействие естественного звука, когда, казалось бы, звучит само пространство, в то же время различимы все инструменты, слышны малейшие нюансы партитур, исполнение которых сливается в яркие по красоте созвучия. Последующее воспроизведение электронной копии даже через УМЗЧ с хорошими характеристиками и качественной акустикой не дает такого эффекта и скорее похоже на впечатление от смазанной фотографии, когда все узнаваемо, но не то... Начиная с 70-х годов прошлого столетия, были предложены десятки конструкций транзисторных УМЗЧ, высказаны диаметрально противоположные мнения по поводу оценки их качества. Сторонники традиционного подхода вполне обоснованно считают, что усилитель не должен создавать новых гармонических и интермодуляционных составляющих – тех, которые присутствуют на выходе, но отсутствуют на его входе, т.е. тех составляющих, которые, собственно, и являются искажениями. С этой целью линеаризуют все звенья усилителя, вводят глубокие и сверхглубокие ООС, значения Kr и KИ доводят до сотых и тысячных долей процента. Примером такого подхода является тщательно разработанная конструкция – сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС [1]. Однако существует и другое мнение, суть которого заключается в том, что значения Kr и KИ вовсе не являются решающими для качества звучания. Самым веским аргументом здесь является тот общепризнанный факт, что ламповые усилители при Kr до 2...3% звучат лучше транзисторных, у которых данный показатель на два-три порядка ниже. Объясняют "ламповый" звук более узким спектром гармоник, мягким характером ограничения, повышенным выходным сопротивлением [2]. Но только ли в этом дело? Указанные противоречия послужили пищей для многолетней дискуссии на страницах радиолюбительских изданий. Единой, всеми признанной, истины так и не найдено до сих пор, как и не установлено однозначной связи между коэффициентом гармоник и качеством звучания УМЗЧ. Но поскольку "природа не терпит пустоты", основными показателями качества усилителей по-прежнему считают коэффициенты Kr и KИ, определяемые в стационарных режимах по известным методикам. Между тем давно замечено, что некоторые транзисторные усилители, простые по конструкции и имеющие в традиционном представлении плохие параметры, звучат лучше сложных высоколинейных. Типичный пример – популярный в 80-х годах параллельный усилитель [3]. Собранный на одном ОУ и 4-х транзисторах, имеющий по современным меркам большой Kr, он показывает отличные по качеству звучания результаты, подтвержденные испытаниями в редакции журнала "Радио" и при повторениях радиолюбителями. Существуют и другие подобные примеры: например, часто хорошим звуком отличаются УМЗЧ, собранные на старых германиевых транзисторах [4]. И это несмотря на их скверную линейность и другие, не выдерживающие никакой критики, параметры! Таким образом, можно предположить, что действуют некие неучтенные факторы, серьезно влияющие на качество звучания УМЗЧ, но постоянно упускаемые из виду при их проектировании и оценке. Обратимся к свойствам основных элементов транзисторных УМЗЧ – транзисторам. Как известно, биполярные транзисторы – в принципе нелинейные приборы с экспоненциальным характером передаточной функции. Относительной линейностью обладает лишь некоторая область вольтамперной характеристики (ВАХ) в окрестностях рабочей точки, задаваемой с этим условием в режиме A. В области больших токов за границей линейности наступает насыщение и ВАХ приобретает резкий излом, что в УМЗЧ приводит к ограничению (клиппированию) сигналов на верхнем участке амплитудной характеристики (АХ). Клиппирование сопровождается резким ростом нелинейных искажений. Чтобы избежать или хотя бы сгладить его, конструкторы снабжают УМЗЧ встроенными системами "мягкого" ограничения или внешними ограничителями. Эти меры существенно улучшают звучание при больших уровнях громкости или недостаточном запасе мощности УМЗЧ. В то же время значительной нелинейностью обладает и начальная область ВАХ, где находится перегиб характеристики транзистора при переходе из закрытого состояния в открытое. В двухтактных каскадах, работающих в режиме В, по этой причине возникают известные искажения – пресловутая "ступенька". "Ступенька" хорошо заметна на обычном стационарном сигнале как искажение формы синусоиды при переходе через ноль. Для ее уменьшения выходной каскад переводят в режим АВ с точкой покоя (постоянной или плавающей), лежащей за пределами перегиба ВАХ, а также охватывают усилитель глубокой ООС. Все это уменьшает "переключательные" искажения, снижает Kr, однако отнюдь не приводит к полной линеаризации амплитудной характеристики УМЗЧ. Особенности ВАХ транзисторов проявляются в значительной нелинейности АХ приборов, т.е. зависимости выходного напряжения UЭ (для эмиттерных повторителей) от входного Uб. На рис.1 показаны экспериментальные АХ мощных транзисторов КТ819 и П214, снятые в одинаковых условиях: по схеме включения с ОК, сопротивлении нагрузки 6 Ом, напряжении питания 10 В. Кривые наглядно характеризуют различие в нелинейности АХ кремниевых и германиевых приборов. Зоной относительной линейности для кремниевого транзистора КТ819 является область выходных напряжений, больших 100 мВ. Ниже этого уровня имеет место резкий излом с переменной кривизной. Много лучшая характеристика у устаревшего германиевого транзистора П214: его зона линейности гораздо шире, начинается с напряжений UЭ”20 мВ, излом в начальной области имеет малую протяженность и носит более плавный характер. Еще одним негативным проявлением нелинейности биполярных транзисторов является нестабильность статического коэффициента усиления h21Э. Вследствие переменной кривизны излома ВАХ приращение коллекторного тока непропорционально приращению тока базы, следовательно, коэффициент h21Э не остается постоянным и изменяется в зависимости от тока коллектора (или эмиттера). Этот факт наглядно демонстрирует график, показанный на рис.2. Зависимость h21Э от Iк для транзистора КТ818 носит ярко выраженный экстремальный характер, при этом максимум статического усиления приходится на ток коллектора около 0,4 A [5]. Как при уменьшении, так и при увеличении этого тока наблюдается спад усиления с переменной крутизной. Следствием такой характеристики в выходных каскадах УМЗЧ является уменьшение усиления малых по амплитуде сигналов, что, как будет показано ниже, является серьезным недостатком. Причем, в отличие от "ступеньки", устранить спад усиления не удается даже увеличением тока покоя вплоть до 200...300 мА. Аналогичную зависимость коэффициента статического усиления от тока, естественно, при разном положении точки максимума, имеют практически все кремниевые транзисторы: КТ825, КТ819, КТ816, КТ502, КТ503 и др. [5]. У низкочастотных германиевых транзисторов П214 (и некоторых других) зона относительной стабильности h21Э гораздо шире, равномерное усиление в малосигнальной области достигается при токе покоя 50...100 мА ("ступенька" исчезает еще раньше). Для сравнения на рис.3 показаны характеристики высококачественных кремниевых транзисторов фирмы ZETEX, разработанных специально для выходных каскадов УМЗЧ. Они представляют собой комплементарную пару в мини-корпусе [6]. Благодаря особой технологии здесь удалось получить высокое постоянство коэффициента h21Э при малых токах коллектора и обеспечить гораздо более плавный спад в сильноточной области. Для качественного звука это имеет первостепенное значение. При работе УМЗЧ соответственно статической изменяется и динамическая характеристика мощных каскадов. Если применены кремниевые транзисторы с типовой зависимостью h21э (а это как правило), то в усилителе нарушается пропорциональность между входным и выходным напряжениями, значит, искажается амплитудная характеристика устройства, а Ku=Uвых/Uвх№const во всем динамическом диапазоне. Подобный эффект, естественно, совершенно незаметен при стандартных стационарных испытаниях УМЗЧ, когда на вход усилителя подается один или несколько неизменных по амплитуде и частоте сигналов. Специальных же измерений АХ и Ku, как правило, не проводят, эти характеристики остаются "за кадром". Ошибочно считают, что АХ УМЗЧ полностью линеаризует ООС. На самом деле ООС не исправляет данную нелинейность, так как в принципе линейная система регулирования, воздействуя на нелинейное звено передачи, лишь масштабирует его переходную характеристику, пропорционально уменьшая коэффициент передачи в каждой точке. Визуальный эффект спрямления кривой Ku=f(Uвх) при воздействии ООС вызван только уменьшением абсолютной величины отклонений, относительная величина которых остается практически постоянной. При этом кривая Ku=f(Uвх) повторяет ход зависимости h21Э от Iк в уменьшенном масштабе. Нелинейность АХ и нестабильность Ku подтверждаются при экспериментальных испытаниях реальных УМЗЧ, для чего разработана специальная методика. Но об этом чуть позже. Следствием нелинейности АХ является обогащение выходного спектра УМЗЧ гармониками выше третьей. Этот факт известен, однако существуют и другие последствия, на которые раньше не обращали внимания. Из-за непропорционального усиления динамически изменяющихся по амплитуде сигналов их огибающая на выходе УМЗЧ не повторяет огибающую на входе, т.е. возникают особые искажения! Обратимся к структуре реального музыкального сигнала, который является сложным по гармоническому составу и амплитудной динамике. Мы прекрасно отличаем одну и ту же ноту октавы (частота основного тона одинакова), когда она взята на скрипке или фортепиано. Это происходит по той причине, что человеческий слух способен улавливать не только основной тон, но и его гармоники, а также их огибающие – форманты. Именно благодаря гармоникам и формантам все окружающие нас звуки приобретают окраску, тембр, а звучание каждого музыкального инструмента индивидуально и неповторимо. Если УМЗЧ неверно передает амплитудную динамику звуковых колебаний, он искажает форманты естественных гармоник. Подобные искажения, как нестационарные, весьма заметны на слух, человеческое ухо воспринимает их как посторонние призвуки, "грязный" звук. Так как гармонические составляющие находятся в верхней части звукового спектра, искажения амплитудной динамики проявляются, в первую очередь, на высоких частотах как ухудшение разборчивости, чистоты, "прозрачности" верхнего регистра. В [7] подобные искажения названы форматными и рассматриваются как искажения выходного сигнала УМЗЧ в части его собственных гармоник. Разумеется, УМЗЧ, как и другие звенья тракта, вносит собственные гармонические искажения из-за конечного значения Kr. Однако в выходном спектре транзисторного усилителя с хорошей симметрией и высокой линейностью (на стационарном сигнале) присутствуют, в основном, нечетные гармоники весьма малой амплитуды, которая, к тому же, уменьшается по мере роста их частоты. Например, при частном коэффициенте гармоник Kr5=0,1% и сигнале первой гармоники U1=10 В напряжение пятой гармоники составит U5=U1=Kr5/100=0,01 В=10 мВ, а при Kr5=0,01% U5=1 мВ. Тем не менее, несмотря на столь малые уровни, собственные гармоники УМЗЧ считаются очевидным злом, а их заметность не подвергается сомнению. Возникает законный вопрос: почему богатейший гармонический состав естественного звучания музыкального инструмента, например скрипки, не воспринимается как искажения, а незначительные собственные гармоники УМЗЧ "режут" слух? Весьма вероятным ответом является уже упомянутое обстоятельство: важна не только и не столько амплитуда гармоник, сколько верность воспроизведения их огибающих – формант. При этом, в первую очередь, следует говорить не об искажениях искусственных, т.е. создаваемых самим УМЗЧ, гармоник, а об искажениях формант естественных гармоник, уже присутствующих в реальном музыкальном сигнале, который представляет собой сумму множества гармонических составляющих. Именно неверная передача амплитудной динамики естественного гармонического ряда и приводит к неестественному звучанию УМЗЧ. На важность воспроизведения амплитудной динамики сигнала обращалось внимание и ранее, но в связи с борьбой с так называемыми динамическими искажениями. В [8] отмечена особая критичность момента нарастания – атаки звука, по которому слуховой аппарат распознает тембры звучащих инструментов. Очевидно, что амплитудные искажения, о которых идет речь, вызывают деформацию фронта сигнала, причем независимо от динамических характеристик усилителя, понимаемых как скорость изменения выходного напряжения. Не это ли тот самый "скрытый" фактор, вызывающий "транзисторное" звучание? При нелинейности АХ УМЗЧ собственный коэффициент гармоник на стационарном сигнале, как и скорость нарастания выходного напряжения, оказываются малозначимыми факторами, так как не влияют на верность передачи огибающих спектральных составляющих музыкального сигнала, в том числе и в наиболее критичной фазе – атаке звука. Если исходить из этого, то становится понятным, почему высокий Kr и "плохие" характеристики ламповых усилителей совершенно не препятствуют их мягкому, "бархатному" звучанию. Важно выяснить, почему амплитудным искажениям в наибольшей степени подвергаются именно огибающие гармоник. Причина проста: амплитуда гармоник такова, что попадает в малосигнальную область УМЗЧ, где максимально проявляется рассмотренная выше нелинейность АХ и передаточной функции усилителя. Основной же сигнал (первая гармоника) лежит в области на порядки (!) больших выходных напряжений и токов. При этом, если выходные транзисторы выбраны со значительным запасом по мощности или включены параллельно, спада усиления в сильноточной области можно избежать, но нелинейность в слаботочной для обычных кремниевых транзисторов области неизбежно остается! Результат – несовпадение законов усиления первой и высших гармоник, что в динамике проявляется как отличия в форме их огибающих. Указанные обстоятельства являются "ключиком" к теории форматных искажений [7], в которой простой по сути факт малой амплитуды гармоник загроможден сложными рассуждениями об их особых свойствах (АХГ, АЧХГ). Читателя также вводят в заблуждение графики гармоник, приведенные в одном масштабе с основным сигналом без оцифровки осей. Из "особых" свойств гармоник делается вывод, что их надо выделять из основного сигнала для выявления форматных искажений. На самом деле гармоники – это обычные колебания малой амплитуды, и искажаются их огибающие точно так же, как и первой гармоники, если привести ее к тем же уровням. Таким образом, для оценки форматных искажений не нужны сложные системы подачи линейно модулированного входного сигнала, выделения гармоник и их огибающих, сравнения огибающих первой и высших гармоник [7]. Достаточно обычного ряда дискретных, но точных измерений, цель которых построить начальный участок АХ и передаточной функции УМЗЧ. Высказанные предположения были проверены экспериментально, при этом отработана методика измерений и компьютерной обработки результатов. Для проведения измерений достаточно генератора звуковых частот, единственным требованием к которому является стабильность амплитуды, и цифрового вольтметра, как можно более точного. Шкальные аналоговые милливольтметры малопригодны из-за большой погрешности измерений. Автор воспользовался пятиразрядным цифровым прибором В7-38 с автоматическим выбором предела измерений. В качестве генератора однотонного сигнала не исключено применение компьютерных программ SpectraLab и других, имеющих встроенный тестовый генератор. Методика измерений заключается в следующем. Испытуемый УМЗЧ нагружается на мощный резистор равного с нагрузкой сопротивления. Общий провод цифрового вольтметра подключают к общему проводу усилителя, а сигнальный – к переключающему контакту тумблера, который в одном положении соединяет вход вольтметра с выходом УМЗЧ, в другом – с его входом. Переключатель и сигнальные провода должны быть тщательно экранированы, чтобы уменьшить влияние наводок и помех. При высокой чувствительности УМЗЧ ее следует уменьшить входным делителем до коэффициента усиления, равного примерно 10 (20 дБ). Перед проведением измерений включают УМЗЧ и дают ему прогреться в течение получаса. Затем при включенном и настроенном на частоту 1 кГц генераторе его выходной сигнал уменьшают до нуля. В этом положении измеряют напряжение на входе и на выходе усилителя, переключая тумблер. Вольтметр при этом показывает паразитные напряжения: на входе – за счет наводок на неэкранированные части входных цепей и первые каскады усилителя, на выходе – в результате усиленных наводок, остаточных пульсаций (фона) и собственных (не взвешенных) шумов УМЗЧ. Принимая измеренные уровни Uвх(0), Uвых(0) за относительный ноль, заносят их в таблицу Microsoft Excel в ячейки A3, B3 (см. таблицу). Затем, постепенно увеличивая напряжение генератора, проводят ряд дискретных измерений Uвх, Uвых в диапазоне Uвх до 1 мВ с шагом 0,1 мВ. Результаты также заносят в таблицу в столбцы C и D. Дальнейшая обработка проводится средствами табличного процессора. Суть расчетов ясна из таблицы, где для наглядности показан режим отображения формул. В столбцах E и F рассчитываются приведенные значения напряжений U'вх, U'вых, в столбце G – коэффициент усиления Ku. Естественно, в обычном режиме Ms Excel в указанных столбцах будут видны результаты вычислений. При работе с таблицей пользуются стандартными приемами данного программного обеспечения: формулы набирают один раз в строке 3 и затем копируют на всю таблицу автозаполнением. Окончательным этапом является построение графиков с помощью встроенного мастера диаграмм Ms Excel. Возвращаясь к качеству звучания УМЗЧ в его корреляции с рассматриваемыми искажениями, следует еще раз подчеркнуть роль выходных транзисторов. Безусловно, положительный результат даст применение транзисторов с малой зависимостью h21Э от тока, что соответствует более линейной АХ и уменьшению искажений. Только лучшей АХ германиевых транзисторов можно объяснить хорошее звучание некоторых старых усилителей, применяемых в бытовой аппаратуре 70–80-х годов прошлого столетия. По многим обстоятельствам германиевые транзисторы сегодня уходят в прошлое, однако отличной альтернативой им являются уже упоминавшиеся специальные кремниевые транзисторы [4]. В то же время ситуация неоднозначна и для УМЗЧ, собранных на обычных кремниевых транзисторах. Дело в том, что линейность АХ и стабильность Ku в определенной мере зависят от схемотехники усилителя. Иногда, по большей части из-за случайного стечения обстоятельств, нелинейность передаточной функции выходного каскада компенсируется обратной нелинейностью тех или иных элементов усилителя или общей нелинейностью ООС. Следует заметить, что для достижения физиологически верного воспроизведения вовсе не обязательно соблюдение условия Ku=const. Достаточно, если зависимость Ku=f(Uвх) будет близка к дуге, т.е. иметь постоянную кривизну излома. В этом случае закон усиления первой и высших гармоник совпадает, форма их огибающих не отличается. Подобную характеристику имеют, например, ламповые усилители – за счет более плавной, без резких изломов ВАХ электронных ламп. Не претендуя на истину в последней инстанции, автор провел испытания по описанной методике двух УМЗЧ: усилительного блока [3] (25-ваттный вариант) и современного интегрального УМЗЧ на ИМС TDA1557Q. Выбор обусловлен, во-первых, их хорошей "репутацией", подтвержденной при многочисленных повторениях, во-вторых, близкими характеристиками в части выходной мощности и нелинейных искажений. Результаты измерений представлены в виде графиков на рис.4. Как видно, усилительный блок [3] (кривые расположены ниже соответствующих кривых для УМЗЧ в интегральном исполнении) имеет значительно более высокую линейность АХ и стабильность Ku. Несмотря на прочие равные характеристики сравниваемых электроакустических трактов, в субъективной оценке это проявилось как преимущественное звучание в области высоких частот – без шумоподобности и металлических призвуков, с хорошей "прорисовкой" и мягкостью звука. Разница в сравнении с УМЗЧ на TDA1557Q, таким образом, заключалась не в количестве высоких частот (их уровень был одинаков), а в качестве. На графиках УМЗЧ на TDA1557Q (верхние кривые), особенно при увеличении, легко увидеть характерный прогиб кривой АХ в начальной области при U'вых=1...2 мВ, совпадающий по форме с амплитудными характеристиками гармоник (АХГ), описанными в [7]. При желании можно даже определить коэффициент форматных искажений. Это еще раз подтверждает сказанное по поводу теории форматных искажений и методов их оценки. Литература 1. Агеев А. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС//Радио. – 1999. – №10–12; 2000. – № 1, 2, 4–6. 2. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ–громкоговоритель//Радио. – 2000. – №7. 3. Агеев А. Усилительный блок любительского радиокомплекса//Радио. – 1982. – №8. 4. Шихатов А. Старое, но золотое. – http://www.bluesmobil.com/ shikhman/arts/oldamp.htm. 5. Полупроводниковые приборы: Справ/Под ред. Н.Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. 6. http://www.zetex.com. 7. Сучков-Русси О. Форматные искажения в УМЗЧ. – http://www.rarionet.com.ru. 8. Феклистов А., Клопов В. О влиянии динамических искажений на восприятие тембра//Радио. – 1981. – №7–8.
