Как воспроизвести звук с минимумом искажений

В статье рассматриваются факторы, приводя­щие к искажению звука в современной записывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре.Надо констатировать, что воспроизвести звуча­ние любого источника звука, будь то симфониче­ский оркестр, выступающий в зале со специальной акустикой, или популярной группы, выступающей на стадионе, или оперной певицы, даже в специ­альном помещении для прослушивания, без иска­жений абсолютно невозможно. Дело в том, что тракт записи – воспроизведения звука включает множество элементов, каждый из которых по-сво­ему искажает звук.

Проблема заключается в том, что у нас до сих пор нет устройств, сохраняющих звук в его есте­ственной форме, т.е. в виде упругих колебаний воздушной среды. Вместо этого стандартный со­временный тракт записи-воспроизведения звука включает в себя:

• преобразователь акустических колебаний в электрическое напряжение (как правило, это ми­крофон);
• аналоговый микрофонный усилитель;
• устройство преобразования аналогового на­пряжения в цифровой сигнал (АЦП);
• устройство хранения сигнала в цифровой форме (например, CD-диск);
• преобразователь цифрового сигнала в анало­говый (как правило, это ЦАП);
• аналоговый усилитель сигнала (УМЗЧ);
• преобразователь электрического сигнала в акустические колебания (как правило, это акусти­ческая система).

И все эти элементы тракта обязательно, в той или иной мере, искажают исходный акустический сигнал. Попробуем разобраться, в чём именно проявляются такие искажения, и как их можно све­сти к минимуму.

Искажения в аналоговом усилителе мощности

Начнем с рассмотрения искажений этого зве­на звукового тракта, поскольку именно УМЗЧ ра­диолюбители зачастую изготавливают самостоя­тельно и на качество работы УМЗЧ могут повлиять в наибольшей степени.

В целом искажения в УМЗЧ можно условно раз­делить на линейные и нелинейные.

Линейные искажения – это искажения ампли­туды, частоты или фазы исходного сигнала. Их особенность в том, что они обратимые. Т.е. произ­ведя коррекцию АЧХ или ФЧХ УМЗЧ, можно вер­нуть звуковому сигналу исходную форму.

Нелинейные искажения вносят в сигнал нечто новое, чего в нём не было ранее, т.е. являются не­обратимыми, и после их появления вернуть сигна­лу исходную форму уже невозможно.

Рассмотрим факторы, приводящие к возникно­вению нелинейных искажений.

Нелинейность передаточной характеристики УМЗЧ

В этом случае имеет место нелинейная зависи­мость выходного напряжения УМЗЧ от входного, которую ещё называют статической нелинейнос­тью передаточной характеристики УМЗЧ. Эта не­линейность приводит к появлению искажений, которые, на фиксированной частоте, определяют как коэффициент гармоник УМЗЧ (THD в англо­язычной литературе):

K_g = [√(I₂² + I₃² + I₄² + …)/I₁]•100%,

где:

je₁ – амплитуда первой гармоники выходного си­нусоидального сигнала;

je₂…I_n – амплитуда 2…n гармоники выходного синусоидального сигнала.

То, как проявляется данный вид искаже­ний, показано на Figure 1. Для сравнения на Figure 2 показан спектр выходного сигнала УМЗЧ, имеющего значительный К_T.

Эти искажения, как правило, ослабля­ют с помощью отрицательной обратной связи (ООС), причём степень ослабления прямо пропорциональна глубине такой ООС. Казалось бы, используя ООС, мож­но получить очень низкий К_g УМЗЧ и иде­ально воспроизвести поданный на его вход звуковой сигнал.

Но беда в том, что реальный звук не имеет ничего общего с синусоидальным сигналом. Представление звукового сиг­нала в виде суммы синусоид (ряд Фурье) с разной амплитудой, частотой и фазой – это просто удобная математическая абст­ракция, но имеющая мало общего с реаль­ным звуком. Собственно К_g – это и есть по­рождение такой математической абстракции.

Таким образом, величина К_g очень мало говорит о качестве работы УМЗЧ, и часто бы­вает, что УМЗЧ с К_g=0,0001% звучит гораздо хуже, чем УМЗЧ с К_g=0,1%, хотя первый УМЗЧ и имеет К_g в 1000 раз меньше.

Динамические изменения параметров УМЗЧ, в зависимости от входного сигнала

Можно сказать, что это основная причина, по ко­торой УМЗЧ искажает входной сигнал. Выражает­ся это в нелинейности передаточной характерис­тики УМЗЧ. Проявляется это так: при превышении максимально допусти­мой скорости входного сигнала на входе УМЗЧ (например, 20 В/мкс) происходит скачкооб­разное уменьшение ко­эффициента усиления данного УМЗЧ. Как изве­стно, звуковая атака и резкий рост амплитуды звукового сигнала присущи большинству музы­кальных инструментов. Именно эти аспекты их зву­чания и будут искажать УМЗЧ с динамической не­линейностью передаточной функции. Это происходит так: при подаче на вход УМЗЧ синусо­идального напряжения с частотой 22 кГц, промодулированного частотой 2 кГц, показано на Figure 3. Из Figure 3 хорошо видно, что выходной сигнал тес­тируемого УМЗЧ имеет разную скорость нараста­ния вверх и вниз и весьма отличается от входного.

Спектр выходного сигнала показан на рис.4, на нём видно, что входной сигнал весьма сильно ис­кажен.

Искажения, вносимые конденсаторами

Конденсаторы вносят в звуковой сигнал иска­жения нескольких типов. Основных два:

• искажения из-за эффекта адсорбции заряда.
• изменение емкости в зависимости от прило­женного к конденсатору напряжения;

Первый эффект заметен только на очень низ­ких частотах (ниже 40 Гц) и не очень опасен.

А вот изменение емкости конденсатора в зави­симости от приложенного напряжения присуще всем не очень качественным конденсаторам (т.е. имеющим высокой ТКЕ и tg угла диэлектрических потерь), и, в первую очередь, оксидным. В плохо спроектированном УМЗЧ это может привести к увеличению К_g на 1.. .5%.

Причём изменение емкости проявляется прак­тически у всех типов конденсаторов.

Сравнение конденсаторов емкостью 0,1 мкФ

Мы считаем, что конденсатор емкостью 0,1 мкФ всегда имеет емкость 0,1 мкФ. Но это не всегда так, так как некоторые конденсаторы, изготовлен­ные с использованием керамических диэлектри­ков, имеют значительную зависимость изменения их емкости от приложенного напряжения. Для то­го чтобы выяснить, как это проявляется у конден­саторов разного типа, рассмотрим изменение в зависимости от напряжения емкости 6 конденса­торов различных типов. Их основные характерис­тики приведены в Tableau 1.

Le tableau 1

Désignation	Symbolique	Форма конденсатора	Tension de fonctionnement	Диэлектрик
Une	0,1 мкФ	Небольшой диск	50 В	Y5U
La	0,1 мкФ	Трубчатый	100 В	майлар
C	0,1 мкФ	Диск	50 В	Z5Z
ré	0,1 мкФ	Диск	100 В	Неизвестно
E	0,1 мкФ	Прямоугольный	50 В	Неизвестно
F	100 пФ	Диск	Неизвестно	NPO

Все конденсаторы, кроме образца F, имеют ем­кость 0,1 мкФ. Конденсатор В – пленочный, а во всех остальные конденсаторах используются раз­личные керамические диэлектрики.

Конденсаторы с маркировкой Y5U, Z5Z, Z5U имеют высокую диэлектрическую проницаемость и, соответственно, небольшие габариты, но низ­кую температурную стабильность. Маркировка NP0 (в настоящее время используется обозначе­ние C0G) указывает на высокую температурную стабильность емкости конденсатора F.

De Figure 5 показано изменение емкости указан­ных в Tableau 1 конденсаторов на частоте 1 кГц при изменении постоянного напряжения на них от 0 до 50 В. Из Figure 5 видно практически нулевое изме­нение емкости для образцов В, Е и F. Однако все три дисковых керамических конденсатора пока­зали значительное изменение емкости от прило­женного напряжения. При этом конденсатор А за­метно снижал емкость при увеличении приложенного напряжения. Интересно отметить, что класс конденсаторов Y5U был разработан в 1950-е годы для использования в устройствах с электронной перестройкой колебательных конту­ров (тогда ещё не было варикапов, которые в на­стоящее время используются для электронной перестройки контуров).

Изменение емкости конденсаторов происходит и под действием приложенного к ним переменно­го напряжения. На Figure 6 показано напряжение на конденсаторе А (кривая 1) и ток через него (кри­вая 2) при частоте 992 Гц. Кривая 2 четко показы­вает, что ток через конденсатор А является весь­ма нелинейным.

Это означает, что емкость (а следовательно, и емкостное сопротивление) и потери в конденсато­ре являются функциями приложенного напряжения. Поэтому в устройствах, где требуется стабильность емкости конденсатора, следует использовать кон­денсаторы типа Е (см. Tableau 1), а не типа А.

Конденсатор емкостью 1 мкФ De Figure 7 показано изменение емкости трёх эк­земпляров монолитных конденсаторов 1 мкФ ±20% 50 В с диэлектриком Z5U. Измерение эквива­лентного последовательного сопротивления (ESR) этих конденсаторов дало среднее значе­ние 2,80 Ом на частоте 1000 Гц. Это означает, что данные конденсаторы нельзя использовать на ча­стотах более 50 кГц, так как на ней емкостное со­противление и ESR конденсаторов будут равны.

Оксидные конденсаторы

Рассмотрим зависимость от приложенного на­пряжения как емкости, так и тангенса угла потерь для алюминиевого конденсатора 82 мкФ 63 В и танталового конденсатора 33 мкФ 10 В. Эти зави­симости показаны на fig.8, из которого видно, что оксидные конденсаторы, как алюминиевые, так и танталовые, лишь немного изменяют свою емкость и тангенс угла потерь в зависимости от приложенного напряжения.

Танталовый конденсатор более стабильно под­держивает свои параметры, в отличие от алюми­ниевого, однако для обоих типов оксидных конден­саторов изменение емкости очень небольшое, по сравнению с рассмотренными ранее керамичес­кими конденсаторами.

À partir de Figure 8 также видно, что тангенс угла потерь у танталового конденсатора меньше, чем у алюми­ниевого, и хотя танталовый конденсатор стоит до­роже, у него будет меньше также и ESR, что важ­но в ряде случаев.

Искажение аудиосигнала конденсаторами

Для измерения искажений, вносимых конден­саторами в аудиосигнал, использовался анализа­тор аудиоискажений типа НР-8903Б. При этом ста­вилась цель определить, каким именно образом изменение емкости конденсатора от приложенно­го напряжения приводит к искажениям.

Были проверены три типа конденсаторов емко­стью 0,1 мкФ с различным типом диэлектрика:

• Xicon, дисковый керамический, класс Y5U;
• Monokap;
• полиэфирная пленка.

De Figure 9 показано, как изменяется нормирован­ная емкость («1» = 0,1 мкФ) этих конденсаторов в за­висимости от приложенного напряжения. Из Figure 9 видно, что конденсатор типа Y5U имеет сильную за­висимость емкости от приложенного напряжения. Конденсатор Monokap имеет меньшую зависимость емкости от напряжения, но она далека от линейной. Полиэфирный конденсатор не показывает почти никаких изменений – изменение его емкости при на­пряжении от 0 до 50 В составляет всего лишь 0,09%.

Чтобы определить, как эта нелинейность конден­саторов приводит к искажениям сигнала, использу­ется простая схема, показанная на Figure 10.

Генера­тор синусоидального сигнала с частотой 10 кГц и действующим значением напряжения 1 В (внутрен­не сопротивление генератора 50 Ом) работает на це­почку R2R3C2, т.е. на фильтр высоких частот. На ча­стоте 10 кГц конденсатор номиналом 0,1 мкФ имеет сопротивление 159 Ом. Для изменения напряжения смещения на конденсаторе использовался источник постоянного напряжения типа НР6216В, имеющий очень низкий уровень собственных шумов.

Коэффициент гармоник (Кг) выходного сигна­ла измерялся с помощью указанного выше прибо­ра типа НР-8903Б, который может измерить гар­монику сигнала с уровнем выше -65 дБ при уровне тестового сигнала 1 В.

De рис.11 показано изменение Кг (или, иначе, THD) в дБ для рассмотренных ранее трёх конден­саторов при частоте сигнала 10 кГц и при наличии, либо при отсутствии на конденсаторах внешнего постоянного напряжения 10 В. Измерения произ­водились по схеме, показанной на рис. 10, при этом величина переменного напряжения на кон­денсаторах изменялась от 0 до 8 В.

Каких-либо сюрпризов на рис. 11 не видно – кон­денсатор с диэлектриком из полиэстера показыва­ет минимальный Кг, измерение которого ограничи­вается используемым измерительным прибором. Также нижний уровень измерения Кг ограничивает­ся шумами источника постоянного напряжения.

Конденсаторы с диэлектриком Y5U и monokap показывают больший Кг при увеличении напряжения переменного сигнала, по сравнению с конден­сатором с диэлектриком из полиэстера. Надо от­метить, что для конденсатора с полиэстером ха­рактерны очень низкие уровни Кг и измерения шума ограничено (как со смещением постоянным напряжением, так и без него), в итоге с увеличе­нием амплитуды переменного сигнала для этого конденсатора Кг уменьшается.

Это вызвано тем, что чем больше напряжение переменного сигнала, то в том большем динами­ческом диапазоне будет работать измерительный прибор НР8903В и, соответственно, ниже будет измеренный Кг. Оба керамические конденсаторы имеют иной механизм работы – у них искажение сигнала вызывает изменение емкости в зависимо­сти от амплитуды переменного сигнала. Чем боль­ше постоянное напряжение смещения, тем боль­ше будет нелинейность у этих конденсаторов.

Наиболее интересные результаты показал кон­денсатор с диэлектриком Y5U. У него Кг значитель­но изменяется в зависимости от приложенного по­стоянного напряжения.

De рис. 12 показано изменение Кг (в процентах, а не дБ) в зависимости от приложенного к конден­сатору постоянного напряжения. Как видим, мак­симум искажений для этого конденсатора будет при постоянном напряжении 5 В.

De рис. 13 показано изменение емкости кон­денсатора с диэлектриком Y5U емкостью 0,1 мкФ от постоянного напряжения смещения. Можно ожидать, что максимальное искажение перемен­ного сигнала должно совпадать с максимальной величиной DC/DV, поскольку это совпадает с мак­симальным изменением переменного напряжения на конденсаторе. Как видно из графика на рис.12, максимальное искажение сигнала возникает при напряжении на конденсаторе 5 В. Причём кривая Кг имеет ярко выраженный пик. В то же время, из рис. 13 видно, что максимальная величина DC/DV достигается при напряжении около 7,5 В. А при этом напряжении Кг уменьшается по сравнению с его значением при переменном напряжении 5 В.

Скорее всего, то, что максимум Кг не совпада­ет с максимумом DC/DV, связано с тем, что при уменьшении постоянного напряжения на конден­саторе от 7,5 до 1 В DC/DV резко уменьшается, т.е. для малых значений переменного напряжения его производная будет довольно велика. А вот при росте напряжения от 7,5 до 30 В DC/DV уменьшается довольно плавно, и для малых значений пе­ременного сигнала его производная будет неболь­шой. Таким образом, имеет место как бы меха­низм компенсации искажений, вносимых конденсатором при напряжении на нём более 5 В.

Эффект «памяти» в керамических конденсаторах

Как уже отмечалось ранее, керамические кон­денсаторы с диэлектриком, имеющим высокое значение диэлектрической постоянной, – это «плохие» конденсаторы, по сравнению с конден­саторами другого типа. Они отличаются зависимо­стью своей емкости от приложенного к ним напря­жения, что нетипично для высококачественных конденсаторов с диэлектриками другого типа. Однако хуже всего то, что их емкость, при опреде­ленном постоянном напряжении смещения, зави­сит от предыстории приложения к таком конден­сатору постоянного напряжения. Иначе говоря, мы имеем место с таким явлением, как гистерезис.

Более подробно рассмотрим этот эффект на примере керамического конденсатора типа Xicon 0,01 мкФ 50 В с диэлектриком Z5U.

Чтобы продемонстрировать эффект гистерези­са, использовался прибор НР4192А (измеритель импеданса). У прибора НР4192А, среди прочего, есть возможность точно измерить емкость с пода­ваемым на неё напряжением смещения постоян­ного тока. Внутренний генератор смещения НР4192А имеет широкий диапазон от -35 В до + 35 В. Работа прибора по заданной программе на­чинается с напряжения смещения 0 В и постепен­но его увеличивает до 35 В, а затем уменьшает до -35 В. Затем прибор снижает напряжение до 0 В. Все это происходит с шагом в 0,25 В. При этом можно задавать длительность каждого шага. На рис. 14 показано изменение емкости конденсато­ра при длительности каждого шага 1 с, 10 с, 100 с.

Рис. 14 хорошо иллюстрирует сложные взаи­моотношения между емкостью и напряжением для конденсаторов с высокой диэлектрической посто­янной. Для любого конкретного значения напряже­ния смещения постоянного тока имеется два возможных значения емкости, в зависимости от ис­тории напряжения смещения и оттого, в каком на­правлении происходило изменение напряжения смещения.

В качестве примера рассмотрим график, сня­тый с шагом 1 с, при напряжении +20 В. В зависи­мости от того, было ли ранее увеличение смеще­ния постоянного тока или было его уменьшения во время измерения, емкость конденсатора составит либо 8,05 нФ, либо 8,15 нФ. Кроме того, есть еще более сложные отношения, связанные с тем, в те­чение какого времени проходят этапы изменения напряжения смещения. При напряжении 20 В по­стоянного тока, например, измеренная емкость может быть между 7,6 нФ и 8,15 нФ, в зависимо­сти от того, как долго напряжение смещения по­стоянного тока изменяло свою величину, то нара­стая, то уменьшаясь.

De рис.14 видна ещё одна странность. Дело в следующем: емкость конденсатора не возвра­щается к начальному значению после цикла из­менения напряжения на нём 0 В – +35 В – 0 В – -35 В – 0 В. Т.е. значение емкости при 0 В никог­да не достигается после того как напряжение на конденсаторе вновь станет равным 0 В. Причём независимо от того происходило ли повышение или понижение напряжения на конденсаторе.

Что вызывает эти странные эффекты? Это свя­зано со структурой диэлектрика и вызывается при­чинами слишком сложными, чтобы рассматривать их в этой статье. Дело в том, что связь между эле­ктрическим полем и зарядом конденсатора явля­ется нелинейной, а также в конденсаторе имеет­ся некоторые электрические домены, которые реагируют на изменение напряжения на конден­саторе медленнее, чем другие.

Constatations

Из всего вышеизложенного следует вывод, что использовать оксидные и особенно керамические конденсаторы в цепях аудиоусилителей, где присут­ствуют значительные амплитуды переменного на­пряжения (например, в фильтрах акустических систем), не следует во избежание появления значи­тельных искажений аудиосигнала. Это же относит­ся и к цепям, где присутствует значительное посто­янное напряжение в сумме с напряжением аудиосигнала. Т.е. указанные типы конденсаторов нельзя использовать как разделительные, напри­мер, между каскадами аудиоусилителя или между выходом аудиоусилителя и нагрузкой. Это причи­на того, что высококачественные аудиоусилители строятся по схеме с двухполярным питанием, что исключает необходимость в наличии конденсатора большого номинала на выходе УМЗЧ.

Тепловые искажения

Это искажения звукового сигнала, вызванные тепловыми процессами в радиоэлементах, печат­ных платах и соединительных проводах. Все эти

элементы нагреваются проходящим по них током аудиосигнала, и при нагреве их свойства не­сколько изменяются. Нагрев происходит динами­ческий, и это отражается на аудиосигнале. Тепло­вые искажения (ТИ) очень слабо проявляют себя во входных и других малосигнальных каскадах ау­диоаппаратуры. Наиболее заметны ТИ в выходных каскадах УМЗЧ и в АС, где протекают большие то­ки и рассеивается много тепловой энергии. ТИ, ко­торые происходят внутри петли ООС, ослабляют­ся пропорционально её глубине. Но и сама цепь ООС подвержена ТИ в полной мере, что требует тщательного подбора её элементов. Их выбор об­легчается тем, что в правильно спроектированном УМЗЧ в состав ООС входит всего 2 резистора.

Амплитудно-временные искажения

Они представляют собой комбинацию статиче­ских линейных и нелинейных искажений, происхо­дящих в УМЗЧ с нелинейными амплитудной и ча­стотной характеристиками. В случае отсутствия самовозбуждения УМЗЧ, эти искажения ослабля­ются ООС пропорционально её глубине.

Искажения в различных типах усилительных приборов

Кроме величины искажений можно использовать также такую характеристику, как порядок искаже­ний. При этом под порядком искажений понимают математическую степень нелинейности передаточ­ной характеристики усилительного прибора, кото­рая, в основном, и определяет спектральный состав искажений, вносимых этим прибором. На рис. 15 показан выходной сигнал и его спектр для не очень хорошего звукового усилителя.

Порядок искажений составляет:

• для ламповых триодов, которые аудиофилы ещё называют «True device», – 1,5;
• для полевых транзисторов, которые ещё называют «почти True device», – 2;
• для биполярных транзисторов, которые ещё называют «Not True device», – логарифмиче­ский.

Искажение сигнала в различных типах усилите­лей показано на рис. 16.

Реальный УМЗЧ состоит из нескольких каскадов, поэтому его результи­рующая степень нелиней­ности определяется путем перемножения степеней нелинейности всех входя­щих в него каскадов.

Сложности ламповых УМЗЧ

Осознание факта пе­ремножения нелинейнос­тей каскадов УМЗЧ приво­дит к желанию получения минимальной нелинейно­сти путем «укорочения» и «упрощения» усилителя. Для этого хочется выпол­нить его на «True device» приборах, т.е. на лампах. Но тут мы сталкиваемся с рядом проблем. Особен­ности ламповых триодов (или пентодов либо тетро­дов в триодном включе­нии) в том, что они имеют очень небольшой коэффи­циент усиления – макси­мум 50 (у обычного бипо­лярного транзистора h_21Э~100…800). Это при­водит к тому, что ламповый УМЗЧ должен содержать как минимум 2 усилительных каскада, исключать возможность введения глубокой ООС и даже местных ОС.

Таким образом, отсутствие ООС, или неглубо­кая ООС, а также отсутствие местных ОС в лампо­вых УМЗЧ – это не благо, а серьезный недостаток.

Остановимся на этом более подробно.

Как известно, местная ОС линеаризует параме­тры усилителя пропорционально своей глубине. В итоге, если использовать усилитель даже на бипо­лярном транзисторе с неплохими параметрами, но с глубиной местной ОС около 10, то можно полу­чить параметры усилителя лучше, чем у усилите­ля на любимом аудиофилами ламповом триоде (например, в каскаде с общим катодом) без ОС. Два каскада лампового УМЗЧ, выполненные на триодах, дадут общий порядок нелинейности 2,25. К ней надо добавить нелинейность выходного трансформатора. В итоге такой УМЗЧ будет зву­чать весьма скверно.

Дело в том, что нелинейность порядка 2,25 по­рождает весьма неприятный спектр гармоник. Если задать 2 гармоника – 2% и 3 гармоника – 1 % (типичные параметры для лампового УМЗЧ на 2 триодах), то получим:

• 4 гармоника – 0,04%;
• 6 гармоника – 0,02%;
• 9 гармоника – 0,01%.

Атакой звук просто «режет» слух.

Гармонические искажения

Фирмы-производители аудиоаппаратуры, в том числе УМЗЧ, указывают только общий К_g сво­их изделий (см. формулу в начале статьи), причем на той частоте, на которой он минимален. При этом они ничего не говорят о спектральном соста­ве этих искажений. А ведь известно, что гармони­ки более высокого порядка слышны как значитель­но большие искажения звука, чем гармоники такой же амплитуды, но низкого порядка. На рис. 17 по­казано, как гармоники искажают входной синусо­идальный сигнал.

Таким образом, если рассмотреть два УМЗЧ, каждый из которых имеет К_g=0,01%, но у первого в Кг основной вклад вносят гармоники высокого порядка, а у второго – гармоники низкого поряд­ка, то второй УМЗЧ будет звучать куда лучше.

Из этого следует вывод:

При учете искажений УМЗЧ неверно рассмат­ривать только гармонические искажения. Надо обязательно учитывать также интермодуляционные искажения. Вызвано это тем, что нелинейно­сти УМЗЧ, которые порождают гармонические ис­кажения, абсолютно неизбежно порождают и интермодуляционные искажения. Многие аудио­филы с этим не согласны, но это абсолютно досто­верно установленный факт. Спектр звукового сиг­нала никогда не состоит только из одной гармоники – их многие сотни и тысячи.

Интермодуляционные искажения

В звукотехнике считается, что гармонические искажения – это просто частный случай искажений интермодуляционных, когда одна из тестовых ча­стот просто не подается на вход УМЗЧ. Проблема в том, что высокочастотные составляющие звуко­вого сигнала при взаимодействии порождают ис­каженный сигнал (в результате интермодуляции, когда возникает сигнал, как с суммарной, так и с разностной частотой) с частотой в диапазоне 300…5000 Гц. А это зона наибольшей чувствитель­ности человеческого слуха. Причем если возника­ющие при интермодуляции новые составляющие, которых не было в исходном сигнале, попадают в область частот 10…20 кГц, то имеет место эффект их маскировки другими ВЧ составляющими звуко­вого сигнала, и такие искажения не очень то и слышны. Но с интермодуляционными сигналами, попадающими в область наибольшей слышимос­ти уха, такой маскировки нет.

Порог слышимости уха человека в диапазоне 300…5000 Гц принят равным 0 дБ. Разумеется, надо обеспечить, чтобы сигнал, получающийся в результате интермодуляции, был ниже этого по­рога. Т.е. интермодуляционный сигнал должен быть меньше или равен гармоникам аудиосигна­ла по амплитуде. Иными словами, К. УМЗЧ (а в широком смысле – всего тракта воспроизведения звука) не должен превышать эти самые 0 дБ на средних звуковых частотах. Если задать среднее звуковое давление, создаваемое АС, равным 96 дБ, то уровень К_g на высоких частотах не должен пре­вышать -95 дБ, или 0,002%. При чем это требуе­мый максимальный К_g всего тракта звуковоспро­изведения. В противном случае, мы будем слышать искажение звука.

Определять уровень интермодуляционных ис­кажений можно различными способами, к основ­ной частоте можно добавлять: поличастотный сигнал с увеличенной амплитудой одной из его гармоник; шумовой сигнал; только сигнал ещё од­ной частоты. Однако во всех случаях результат бу­дет примерно тот же, что при 2 частотном тести­ровании, т.е. на выходе мы получим:

• сигналы обеих тестовых частот;
• сигналы с суммарными и разностными час­тотами (искажения сигнала);
• сигналы высокого порядка суммарно-разностных комбинаций из уже полученных сум­марно-разностных комбинаций, искажаю­щих сигнал.

В итоге оказывается, что интермодуляционные искажения (IMD) можно измерять, используя двух­частотный метод. Однако измерять их надо как ми­нимум в трех частотных диапазонах:

• на НЧ, где могут проявляться искажения, вызванные разделительными конденсато­рами и тепловыми процессами;
• на СЧ, где указанный выше вид искажений отсутствует, и IMD будет минимальный;
• на ВЧ, где из-за уменьшения глубины ООС происходит весьма существенный рост IMD.

Для более корректного определения IMD в УМЗЧ желательно произвести все такие измере­ния и снять выходные спектры для разных уровней выходного сигнала.

Дело в том, что человеческий слух малочувст­вителен ко 2-й и 3-й гармоникам, но обладает очень высокой чувствительностью к гармоникам, начиная с 5-й. При этом чувствительность слуха может превышать 0,001%. Поэтому так важно сни­мать спектрограммы, чтобы отслеживать не общее значение IMD, а характер убывания гармоник.

De рис. 18 показан спектр сигнала на выходе УМЗЧ с IMD равным -105 дБ, на котором видно, что интермодуляционные составляющие 3 по­рядка имеют размах 15 дБ.

На настоящий момент отсутствует общеприня­тая полностью математически отработанная мето­дика измерения IMD с учётом характера убывания гармоник. Расчёт IMD по общепринятым форму­лам не позволяет определить, почему два УМЗЧ, с одинаковыми значениями IMD, звучат совершен­но по-разному. Если мы хотим получить объектив­ную оценку работы УМЗЧ, которая соответствует его субъективному восприятию при прослушива­нии, то надо анализировать очень небольшие по амплитуде интермодуляционные помехи 2-го и да­же 3-го порядка. Хотя, формально такие помехи вносят очень малый вклад в общепринятых фор­мулах расчёта IMD.

После всего сказанного у читателей может сложиться впечатление, что параметр IMD прак­тически ничего не говорит о качестве работы УМЗЧ. Однако это не так. Чем меньше IMD, тем лучше будет звучать УМЗЧ, поскольку малый IMD предполагает также и небольшую величину осо­бенно неприятных на слух, интермодуляций высо­ких порядков. Просто дело в том, что для объяс­нения многих «странных» нюансов звучания УМЗЧ надо исследовать IMD с точностью лучше -105 дБ, а это весьма затруднительно и требует много времени.

2. Что определяет качество звучания?

Даже представители фирм-производителей не очень активно отрицают, что многие аудиоустрой­ства с отличными цифрами в характеристиках иг­рают весьма посредственно. Особенно данное ут­верждение верно по отношению к современным сигма-дельта ЦАПам. Аудиофилы на основании этого факта делают вывод, что все указанные в па­спортах аудиоаппаратуры цифры имеют очень ма­лое отношение к реальной действительности и ка­честву звучания.

Этот миф утверждает, что в звуковом сигнале имеются некие неизмеримые составляющие, ко­торые нельзя зафиксировать. Но именно эти со­ставляющие сильнее всего страдают при прохождении звукового сигнала через каскады усилите­ля. Поэтому каскадов усиления должно быть ми­нимум, ООС не должно быть вообще и УМЗЧ дол­жен быть собран на лампах. Т.е. логика проста – если непонятно что происходит, то имеется что-то неуловимое и не измеряемое.

Проблема в том, что надо выяснить:

• было ли это «неизмеримое» изначально, а по­том его «убил» УМЗЧ (какутверждают аудиофилы);
• или изначально был хороший сигнал, который потом исказили ЦАП и УМЗЧ, да ещё и так, что при­боры этих искажений не заметили (именно так ут­верждают аудиоинженеры).

Здесь очень существенная разница: в первом случае всё сводится к сложной непознанной ма­терии; во втором – к научному подходу. Разумеет­ся, верен научный подход, и проблема сводится к тому, что есть типы искажений звукового сигнала, которые с большим трудом регистрируются суще­ствующей измерительной аппаратурой, но пре­красно «слышны» даже человеку, не обладающе­му музыкальным слухом.

Даже аудиофилы согласны, что такие искажения есть во многих местах аудиотракта – низкокачественные конденсаторы и плохие, либо неверно спро­ектированные, межблочные кабеля вносят заметные на слух искажения в звуковой сигнал. Однако в ци­фрах К. и IMD усилительного тракта эти искажения проявляются весьма незначительно. Кроме того, за­частую природа искажений до конца неясна – иссле­дования всё ещё продолжаются.

Основные причины появления искажений

Можно выделить несколько независимых при­чин искажений сигнала в аудиотракте.

Искажения ЦАП

Искажения сигнала в ЦАП носят гораз­до более сложный характер, чем в УМЗЧ. Сигма-дельта ЦАП, по сути, представля­ют собой весьма сложные, многоконтур­ные вычислительные устройства. Поэто­му реакция различных типов ЦАП на один и тот же входной сигнал может сильно от­личаться. Поэтому многие сигма-дельта ЦАПы на тестовом сигнале показывают отличный К_T. Однако звучание музыки у них будет весьма разным и сильно отли­чающимся от звучания мультибитного ЦАПа. Упрощенная структура мультибит­ного ЦАП показана на рис. 19.

В настоящее время классически правильным и эталонным принято считать звучание мультибитного ЦАП типа РСМ1704. Эксперименты пока­зали, что только один современный сигма-дель­та ЦАП приближается к нему по звучанию – это ES9018.

Технология upsampling

Upsampling в настоящее время называют пере­дискретизацию или интерполяцию с целым коэф­фициентом. Появилась эта технология в 1980-х по экономическим причинам – оказалось, что хороший выходной аналоговый фильтр ЦАП получает­ся весьма сложным и очень дорогим.

Стремление сэкономить – это единственная причина, по которой на выходе ЦАП начали приме­нять цифровые фильтры, которые искусственно поднимали частоту дискретизации аудиосигнала. Хуже всего то, что при этом они заполняли обра­зовавшие при таком подходе временные «дыры» сигнала значениями, рассчитанными по каким-то странным и непонятным правилам.

Проблема сводится к тому, что, в отличие от дискретизации аналогового сигнала (т.е. аналогово­цифрового преобразования), передискретизация не является завершенной процедурой, поскольку для точного пересчета в передискретизированный сигнал надо произвести обработку значительной части аудиофайла. А это приводит к необходимо­сти наличия дополнительных запоминающих уст­ройств, к задержке выработки выходного сигнала и т.д. Короче, ни одна ИМС цифрового фильтра не может справиться с такой задачей, поэтому ис­пользуются упрощенные алгоритмы пересчета.

При стандартном upsampling аудиоданных стано­вится в 12 раз больше – частота 352 кГц, 24 бит (вме­сто исходных 44,1 кГц и 16 бит), вот только исход­ный аудиосигнал из них складывается плохо. Если посмотреть осциллограммы на выходе таких ЦАП, то можно увидеть, что при увеличении частоты дис­кретизации увеличивается и количество «скачков» на выходе ЦАП. При этом точность воспроизведе­ния исходного сигнала ухудшается, поскольку каждый «скачек» иметь неидеально прямоугольную форму, да ещё и небольшой выброс (глитч).

De рис.20 показано как изменяется исходный ци­фровой сигнал при частоте дискретизации 44,1 кГц и оцифровки синусоиды с частотой 20 кГц при пе­редискретизации с коэффициентом 2, 4 и 8. Из рис.20 хорошо видно, что дискретизация с часто­той 352,8 кГц позволяет получить сигнал гораздо более близкий к исходной синусоиде, чем исполь­зование передискретизации с этой же частотой.

В итоге неидеальная форма сигнала приводит к тому, что вместо определенного выходного значе­ния, на время переходного процесса, имеется со­вершенно неверное, зависящее от скорости этого переходного процесса значение. На слух всё это воспринимается как некоторая потеря чёткости зву­чания и размытая локализация источников звука.

Измерительные приборы построены совсем не так, как человеческий слух, который способен вос­принимать очень быстрые изменения формы и характера звукового сигнала. Это приводит к тому, что даже нетренированный слушатель легко отли­чает звучание ЦАПов, имеющих практически оди­наковые технические характеристики, но постро­енных на разных принципах: сигма-дельта, однобитный ЦАП, мультибитный ЦАП. Это свойст­во слуха объясняет также хорошую «слышимость» даже небольших помех на фоне знакомых звуков и, наоборот, селективность слуха к знакомым зву­кам даже при сильных помехах.

Итак, upsampling – это технико-экономическое решение, при котором ИМС ЦАП будет работать на повышенных частотах в ущерб точности работы с целью удешевления ЦАП. Разумеется, такое реше­ние противоречит здравому смыслу и заметно ухудшает качество звучания такой аппаратуры. По­этому в качественном аудиотракте не должно быть ни цифровых фильтров, ни технологии upsampling. Недостатки сигма-дельта ЦАП Широко распространенные сигма-дельта ЦАПы, например, популярный РСМ1794 состоят из двух цифровых фильтров и собственно ЦАПа (рис.21). При этом первый цифровой фильтр служит интер­полятором и умножает частоту дискретизации входного сигнала, осуществляя upsampling. Таким образом, на вход второго цифрового фильтра по­ступают данные с частотой 384 кГц. В этом втором фильтре (сигма-дельта модуляторе) происходит ещё одно повышение частоты дискретизации до 11…17 МГц (у разных типов ИМС частота отлича­ется) и понижение разрядности цифрового сигна­ла. При этом выходной ЦАП так же, как и сигма-дельта модулятор работает на этой высокой частоте и имеет разрядность 6…7 бит (в зависи­мости от типа ЦАПа).

Сигма-дельта ЦАПы, при простоте и дешевизне и, вроде бы, очень высоких параметрах, сочетают в себе недостатки сразу двух устройств: сигма-дельта модулятора и цифрового фильтра. О недо­статках цифрового фильтра уже сказано выше.

О сигма-дельта модуляторах можно сказать так: сколько типов ИМС на их основе, столько и вари­антов их звучания. К несчастью, все сигма-дельта ЦАПы звучат хуже «честных» мультибитных ЦАПов (разумеется, если не использовать с мультибитными ЦАПами цифровые фильтры).

Много усилительных каскадов Присутствующий в любом современном ауди­отракте ЦАП содержит как минимум два усили­тельных каскада: преобразователь напряже­ние/ток; сумматор. Далее в аудиотракте имеется, так называемый, предварительный усилитель, а затем – УМЗЧ. Необходимость предварительного усилителя производители объясняют лучшим со­гласованием ЦАП и УМЗЧ, при его наличии. Одна­ко выходной сигнал ЦАП составляет 1…2 В. Стан­дартному УМЗЧ достаточно 0,5… 1 В, т.е. между ЦАП и УМЗЧ не нужен предварительный усили­тель. Скорее, нужно ослабить сигнал с ЦАПа, а это очень неплохо делает пассивный регулятор гром­кости УМЗЧ в виде обычного потенциометра. Недостаточная глубина ООС Известно, и об этом часто говорят аудиофилы, что провода, конденсаторы, усилительные элементы и прочие компоненты аудиотракта вносят в аудиосигнал некую «окраску», которую пока невоз­можно измерить. Но эксперименты выяснили, что такая «окраска» звука, возникающая внутри УМЗЧ, охваченного ООС, подавляется ООС также, как по­давляются и прочие искажения. Это причина того, что УМЗЧ с очень глубокой (более 90 дБ) ООС зву­чат гораздо более естественно, чем УМЗЧ с менее глубокой ООС.

В проведенных экспериментах по субъективно­му прослушиванию выяснилось, что по мере уве­личения глубины ООС в одном и том же УМЗЧ «ок­раска» звука становилась все меньше и меньше. При этом звуковая сцена становилась (используя термины аудиофилов) всё более глубокой и ося­заемой, а звук в целом приобретал большую чёт­кость и деликатность. Оказалось, что звуки, запи­санные «живьем», например, в концертном зале и не подвергавшиеся обработке, начинают звучать очень и очень натурально. При этом звучание УМЗЧ с ООС в 95 дБ и в110 дБ можно явственно отличить на слух.

Нелинейность диэлектриков

К этим причинам относятся «странности» навес­ного монтажа, использование «плохих» межблоч­ных проводов и «дешевых» конденсаторов. Одна­ко недостаточное понимание природы влияния этих нелинейностей на звук не мешает аудиоинже­нерам изготавливать изделия, в которых их нет.

Auteur : Андрей Сергеев, г. Воронеж
Source : журнал Радиоаматор №10, №11-12, 2015