Audiophile Fehler

В статье рассказывается о наиболее распрост­раненных заблуждениях, связанных со схемотех­никой УМЗЧ, ЦАП и прочими элементами звуко­воспроизводящего тракта.

К сожалению, при выборе схемотехники ауди­оаппаратуры для покупки или самостоятельного конструирования большинство из нас находится под влиянием чужих «знаний», полученных из сфабрикованных статей, обильно снабжённых по­трясающей красоты картинками, шестизначными ценниками и крайне субъективными словоизвер­жениями «экспертов».

А также реклама всяких дорогих аудиофильских штучек сильно действует на наше подсознание. Причем очень эффективно действует.

Мы становимся жертвами маркетинга, паствой профессиональных и хорошо оплачиваемых «гу­ру». Нам много рассказали о тонкостях звучания того или иного кабеля, о всевозможных влияниях помех из сети, об ошибках при чтении лазерных дисков, джиттере… о великом множестве процес­сов, которые якобы должны влиять на звук.

Разумеется, всё это мешает нам принять пра­вильное решение и выбрать по-настоящему пра­вильный аппарат, вместо этого мы выбираем что- то чрезмерно дорогое или громоздкое.

Некоторые, наиболее распространенные за­блуждения из области звуковоспроизведения и бу­дут рассмотрены в этой статье.

О «мёртвости» и «скучности» неокрашенного звучания

Существует расхожее мнение, что точная зву­ковая аппаратура (т.е. вносящая в звуковой сигнал самые минимальные искажения из возможных) быстро надоедает своим однообразным и идеали­зированным звучанием.

Это, безусловно, было бы так, если бы со сту­дий звукозаписи выходил всегда одинаково «сте­рильный» и «стандартный» звук. Конечно, никако­го стандартного звука не существует! Все без исключения музыканты стремятся придать звуча­нию «свой», желательно легко узнаваемый почерк и окраску, многие из них используют только люби­мые, затёртые до дыр примочки, положение ручек на которых хранят в строжайшем секрете и не по­казывают даже жёнам! Звукорежиссёры от них не отстают, ибо никому не хочется быть незаметным роботом.

Но, увы, всегда находятся желающие утверж­дать, что все потуги вышеперечисленных людей – пустая трата времени без их чудесного «тёплого» звука! Неясно только, с чего это они решили, что звук изначально был «холодный».

Не стоит обменивать великое разнообразие и индивидуальность возможных звучаний на един­ственный, пусть даже приятный для слуха звук!

Об «огрехах» звукорежиссуры

Часто пишут, что высокое разрешение аппара­туры позволяет услышать много того, чего слы­шать не стоит, например огрехи звукорежиссуры или скрип стульев в концертном зале; и что вмес­то музыки получается урок анатомии.

Как говорится, волков бояться – в лес не хо­дить. Конечно, слышать недостатки записи не очень приятно, однако не слышать её достоинств неприятно вдвойне!

Достоинства же случаются самые разные, ко­му-то, например, в некоторых моментах очень при­ятны сильнейшие искажения и другие фишки от то­го же Alana Parsonsa, хотя кто-то назовёт их отвратительными. А его ремастированные 24-битные записи – это вообще что-то, эти фишки обра­зуют замечательнейшее звуковое полотно и начи­нают жить своей жизнью. Особенно важно, чтобы все эти фишки дошли до вашего слуха «как есть», как их задумал исполнитель, потому что у окра­шенных ещё и в вашей аппаратуре у них есть шанс стать просто мусором.

То, что на не очень качественной аппаратуре слышится как мусор, на самом деле часто оказы­вается очень даже живыми, стильными и необыч­ными звуковыми событиями.

Бесполезно спорить, действительно ли это ог­рехи или специально так записано, для красоты. Если нам всё это надоест, всегда можно послушать MP3 с битрейтом 64 кбит/с или net-радио, там-то уж точно никаких огрех звукорежиссёра не услы­шим, всё однозначно, ноль от единицы отличим!

Об «аудиофильских» компонентах

Современная «аудиофильская эстетика» опе­рирует совсем небольшим набором канонизиро­ванных правил.

Один из основных канонов – это правильный раз­мер компонентов. Причём доходит до смешного!

Там, где производитель микросхемы строжай­ше рекомендует smd-компоненты, расположен­ные максимально близко к выводам микросхемы (счёт идёт на миллиметры, играет роль даже дли­на выводов), в Hi-End конструкциях часто можно увидеть расположенный в 5 см от ИМС «аудиофильский» конденсатор в палец толщиной.

Там, где нужны минимальные помехи от источ­ника питания, ставится трансформатор в три ра­за больших габаритов, имеющий в несколько раз большее поле рассеяния. Маленькое выходное со­противление такого «аудиофильского» трансфор­матора приводит к большим импульсным токам с более «жестким» спектром, что дополнительно усугубляет ситуацию.

Там, где жизненно необходима компактность дизайна, можно увидеть огромную плату, напич­канную рядами этих самых конденсаторов. Ясно, что в таком применении вреда от них гораздо больше, чем пользы.

В жертву моде (а современная «аудиофильская эстетика» не более, чем просто мода), не задумы­ваясь, приносится не только здравый смысл, но часто и качество изделия.

Производители «Hi-End компонентов» не оста­навливаются ни перед чем, лишь бы человек по­верил в их магию, ибо вера эта – золотое дно. Мас­совая вера должна быть проста и понятна, поэтому строится на примитивных утверждениях типа: «Всё гениальное просто» или «Дорогие детали об­лагораживают звук».

Вдобавок:

• Факт, согласно которому качество работы ин­тегрального УМ, например, на 70…80% определя­ется его принципиальной схемой, и только на остав­шиеся 20…30% элементной базой, благоразумно умалчивают.
• Реалии этого мира подменяются подсозна­тельно желанной красивой сказкой. А в сказках должны быть свои злодеи, например, Дешёвые Конденсаторы и свои герои, например, Аудиофильские Лампы.

Вера в эти сказки не даёт очнуться и вспомнить, что самые лучшие автомобили, например, очень и очень сложны, а их стоимость наполовину состо­ит из стоимости чертежей, над которыми годами трудились инженеры-разработчики.

То же самое можно сказать и о микросхемах, за квадратным миллиметром кристалла скрывающих труд поколений инженеров и космические техно­логии, и о высококлассных усилителях, самая до­рогая «деталь» которых – это «бумажное» качест­во их принципиальной схемы.

Напоказ такие штуки не выставишь (слишком уж это непонятно для большинства), и ходовая часть всегда скромно скрывается «под капотом».

Курьёзных примеров много, но до верующих в чудесные компоненты эти примеры просто не до­ходят, так как блокируются подсознанием.

Другое дело, например, красота и мощь лам­пового усилителя! Огромный котёл (трансформа­тор питания), невероятного размера раскалённые цилиндры (лампы или радиаторы размером с го­лову человека) и тонна железа никого не оставят равнодушными! Тут уж всякому ясно – это вещь!

Отсутствие поршневых колец никого не смуща­ет, только добавляет антураж!

О том, что высокая степень интеграции отрицательно сказывается на звучании

Производители аппаратуры навязывают мысль о том, что для достижения хорошего результата ка­тегорически необходимо иметь отдельные компо­ненты, соединенные мудрёными дорогими шнура­ми. Соглашусь, это хорошо для человека с толстым кошельком и совершенно здорово для самого про­изводителя.

Однако можно привести пример, когда даже в очень хорошей аппаратуре отлично уживаются и импульсный блок питания, и развесистая цифро­вая часть, и высококлассные ЦАП и АЦП, и даже микрофонные предусилители. Речь сейчас идёт о профессиональном микшерном пульте.

Просто инженер-разработчик хорошо знал, что и как можно делать, а чего и почему нельзя.

Качество питания, необходимость суперстабилизаторов с брэндовыми конденсаторами

Надувательство в этом вопросе достигло неве­роятного размера. Любой грамотный электронщик вам скажет, что, например, для операционного уси­лителя необходимо и вполне достаточно соблюс­ти требования даташит. А в нём можно увидеть только 10 мкФ танталового конденсатора плюс 0,1 мкФ керамического плюс иногда 1…10 нФ конден­сатор NP0 (многослойный керамический чип кон­денсатор). И это всё!

Гораздо более важно грамотно и аккуратно трассировать «землю» и питание.

Для примера, подавление помех по питанию современного операционного усилителя на часто­те 20 кГц минимум раз 300, а у хорош их 3000 и вы­ше. На рис.1, а показаны графики для OPA604, по­давление пульсаций 1000 раз, а на рис. 1, bis - хорошего ОУ, подавление пульсаций 20000 раз на частоте 20 кГц.

Подавление пульсаций в обычном выходном ка­скаде усилителя мощности составляет минимум раз 50.

О питании усилителей мощности

Блок питания состоит из диодного выпрямите­ля и сглаживающих пульсации конденсаторов. Для усилителя с глубокой отрицательной обратной связью (ООС) необходима и достаточна ёмкость около 15.000 мкФ на канал на 4 Ом. При этом пуль­сации составят около 10%. Шесть 8-омных кана­лов потребуют 50000 мкФ. Все, что больше, – это маркетинг.

Качество самых распрекрасных электролитиче­ских конденсаторов на высоких частотах всё равно абсолютно недостаточное, и их необходимо шунти­ровать керамическими (до них маркетологи пока что не добрались). Чтобы улучшить подавление пульсаций в 2-5 раз, можно, конечно, поставить на­много больше самых хороших конденсаторов.

А что делать, если нужно улучшить в 1000 раз, как это, по-хорошему, и требуется?! Таких больших конденсаторов ещё не придумали! Вот тут-то на помощь и приходит схемотехника. Можно очень долго махать над больным дохлой курицей, изви­ните, рекламным проспектом с суперконденсато­рами, а можно просто дать ему нужную таблетку. А лучше две.

Имя первой - отдельный фильтр для питания входных каскадов (с конденсаторами отнюдь не гигантскими).

Имя второй - отрицательная обратная связь. Для неё, при выполнении потребных условий ус­тойчивости, легко получить что 5 раз, что 50000…

При глубине ООС на низких частотах порядка 5000 раз уже совершенно безразлично, какие конден­саторы у вас в фильтре питания.

Об электромагнитной атмосфере

В пространственно-разнесенных системах с уй­мой межблочных соединительных кабелей пробле­ма питания действительно встаёт довольно остро, и требуется хорошее качество первичного питания (помехи бытовой электросети, ВЧ помехи от СВЧ печек, мобильных телефонов, УКВ радиостанций).

Чем развесистее ваша система, тем хуже с её питанием. И с чувствительностью к «внутренним» электромагнитным помехам, кстати, тоже. Напри­мер, обычный (не свитый) межблочный кабель способен «наловить» до -80 дБ гармоник сети от поля рассеивания мощного тороидального транс­форматора усилителя мощности. Причем этот фон может не зависеть от положения регулятора

громкости! И уж точно не будет зависеть от нали­чия или отсутствия сетевого суперстабилизатора.

Вообще, когда вам говорят про то, что что-то лучше, что-то хуже, неплохо бы поинтересовать­ся, насколько в процентах это «хуже» хуже того, что «лучше». И заодно спросить красиво говорящего, действительно ли только в цене заметно это «улучшение».

О вреде отрицательной обратной связи (ООС)

Очень часто потребителя заочно считают чай­ником, а производитель пафосно сообщает: «наш усилитель без обратной связи». Любой инженер знает, что это ложь.

Не бывает усилителей без обратной связи во­обще! Она есть всегда, в частности, внутри отдель­но взятого транзистора или лампы. Это научный факт. В этом случае она является местной.

Принцип, на котором базируется ООС, в выс­шей степени универсален и существовал задолго до появления электроники и нас с вами. На нём ос­нована работа всего сущего – от клеток до экоси­стем – для поддержания гомеостаза. Вы лично пользуетесь им каждую миллисекунду, чтобы, на­пример, ходить, да что там, чтобы просто не про­нести ложку мимо рта!

Проиллюстрирую как работает ООС в простом 2-каскадном усилителе (Abbildung 2).

Основной параметр ООС - её глубина. Под глу­биной понимают «запас» усиления.

Для схемы Figur 2 коэффициент усиления К=9,90099, а «запас» усиления (глубина ООС) около 100 раз. В эти 100 раз ООС и улучшает па­раметры «нелинейного усилителя».

Применимость принципа ООС и максимальная её глубина ограничиваются только устойчивостью, не существует никакой «оптимальной» глубины ООС.

Из теории устойчивости известно, что чем большей глубины ООС мы хотим достичь, тем боль­шего быстродействия мы обязаны добиться. Раз­работка устойчивых широкополосных схем с боль­шим усилением – это технически весьма и весьма сложная задача. Видимо поэтому разработчики, которые не в состоянии преодолеть такую техни­ческую проблему коммерчески целесообразным способом, и объявляют общую ООС злом. В пер­вую очередь, отсюда желание «отделаться» мест­ными ООС и ограничить глубину общей.

Вокруг общей ООС всегда очень много разго­воров. Но даже технически грамотные спорящие, обычно, не могут признаться друг другу в том, что же является их конечной целью.

На мой взгляд, если человеку надо максималь­но достоверно передать сигнал, то у него просто не остаётся другого выхода, как применить ОС, обычно общую, и, возможно, большей глубины. Ес­ли же хочется чего-то додумать, исказить, при­украсить, то от ООС придется отказаться или сильно ограничить её глубину, применить дорого­стоящие суперконденсаторы, слава Hi-End, про­стор для творчества широк.

Для слуха обычного человека, не технаря, дей­ствительно, разговор грамотных людей об ООС мо­жет показаться полной профанацией. Применяют­ся термины вроде «частота единичного усиления», «запас по фазе», «петлевое усиление», «корректи­рующее звено», «сигнал ошибки» и т.п. Попахива­ет какой-то наукой, от которой хай-ендщики (а большинство из них не обременены глубокими тех­ническими знаниями, т.е. являются в техническом смысле обычными людьми) бегут как от чумы.

Об «уникальности» качества работы усилителей без общей обратной связи

Повторюсь, не бывает усилителей вообще без обратной связи; например, в схеме эмиттерного (истокового, катодного) повторителя, по которой собрано 99,5% всех выходных каскадов, присутст­вует ЮО-% местная ООС по напряжению. Проще говоря, местная ОС является неотъемлемым свой­ством любого усилительного каскада, и говорить о её вредности просто глупо.

Самое время разобраться, чем же общая ОС отличается от местной.

1. И в том, и в другом случае часть напряжения (тока) с выхода усилителя подаётся в противофазе на его вход.
2. И в том, и в другом случае используются схо­жие схемотехнические решения, обычно, разница только в номиналах резисторов, которые и опре­деляют глубину местных ОС.
3. Местная ОС линеаризует каскад усиления, но лишь до определённого предела, около 0,05…0,2% общих гармонических искажений. Ог­раничения накладывают физические свойства ак­тивных элементов. Общая ООС (ОООС) свободна от этого принципиального ограничения.
4. Сдвиг фазы в схеме без ОООС совершенно не опасен, поскольку не может превышать 90° для каждого каскада, и условие устойчивости соблю­дается автоматически. В схеме с ОООС, состоя­щей из нескольких каскадов, этот фазовый сдвиг «накапливается» и может привести к самовозбуж­дению УМЗЧ, например, на ультразвуковой часто­те, и это является единственным ограничением на глубину ОООС.

Если верить эзотерикам, звук «убивает» толь­ко общая ОС, но никак не местная, что позволяет локализовать проблему именно в сдвиге фазы.

Интересно, что фазовый сдвиг в усилителе – понятие в некотором смысле виртуальное и для звуковых частот никак не связано с задержкой распространения сигнала во времени, от которой на самом деле очень зависит качество работы ОООС. Задержка, эквивалентная сдвигу фазы 90° на частоте 20 кГц – примерно 12 мкс, и ника­кой, даже самый медленный усилитель такой за­держкой не обладает. Для сравнения, в УМЗЧ типа ES6.2 задержка от входа до выхода составляет 60 не, т.е. в 200 раз меньше. Соответственно, общая ООС в нём работает совершенно также, как и лю­бая местная.

Итак, общая ООС ничем принципиальным от местной не отличается, за исключением количест­ва охватываемых каскадов, и фазового сдвига, ко­торый «накапливается». Различие и вовсе исчеза­ет, если построить усилитель так, чтобы сдвиг фазы от входа до выхода в звуковой полосе час­тот был невелик.

Вернёмся к качеству работы усилителей без ООС.

C входным каскадом всё хорошо, вносимые им нелинейности малы, поскольку мала амплитуда входного и выходного сигнала.

C каскадом усиления напряжения всё уже сов­сем не так здорово, его усиление, обычно, доста­точно велико, а амплитуда на выходе сравнима с напряжением питания, и в полной мере сказыва­ются нелинейные ёмкости и нелинейная зависи­мость усиления и выходного сопротивления от на­пряжения. Искажения, вносимые этим каскадом, составляют 0,05…0,5%, и вопреки широко распро­странённому мнению, не очень сильно зависят от архитектуры усилителя.

Полностью (якобы) симметричные усилители показывают почти такие же результаты, как и лю­бые другие. Происходит это по той причине, что основной вклад вносят всего два транзистора (на схеме Figur 3 это Q4 и Q7), но в хороших усилите­лях их всегда два, независимо от того, «симмет­ричный» усилитель или нет. К тому же полностью комплементарных транзисторов попросту не су­ществует, ёмкости и крутизна характеристик тран­зисторов разной структуры в силу технологичес­ких причин существенно отличаются.

Von Figur 4 показаны результаты моделирования «симметричного» и нашумевшего когда-то усили­теля без ООС «The end Millennium». Из результа­тов моделирования нетрудно видеть, что искаже­ния этого УМЗЧ без нагрузки (и даже без выходного каскада) примерно 0,07% THD (коэф­фициент гармоник – Кг) и 0,1% IMD (коэффициент интермодуляционных искажений). Выходной кас­кад, даже тщательно отстроенный, добавит (как будет показано ниже) ещё примерно столько же, но фокус в том, что в результате перемножения спектров искажений итоговый спектр будет содер­жать массу гармоник и интермодуляций высоко­го порядка. Видимо, этот самый мусор и объявлен «неповторимым» качеством работы данного УМЗЧ.

О каких 0,0017% THD заявляли авторы УМЗЧ «The end Millennium», неясно. Ведь это достаточ­но высокий показатель даже для хорошего усили­теля с ОООС. Ошибочка почти в 50 раз!

Выходной каскад. Самый лучший и тщательно отстроенный (в том числе в классе «А») обладает выходным сопротивлением 0,05…0,2 Ом и искажениями порядка 0,05…0,2%. Результирующие иска­жения (в особенности на большом и сложном сиг­нале, где они будут хаотично меняться в зависи­мости от частоты, поскольку импеданс нагрузки непостоянен и на резистор не очень похож) могут быть до 0,5%.

Итак, то, на что вы можете рассчитывать, ста­новясь владельцем усилителя с гордой надписью «Усилитель без ОООС», показано в таблице.