ГОЛОС МАШИНЫ: гармоники, стоящие за цифрой искажений
Те мощные изыскания при разработке высококачественной аппаратуры свели на общую землю голую правду и красоту, левое и правое полушария и пытается помирить оппонентов.
Если вы не можете представить себе возможность мирного сосуществования между собой обоих или упрямо полагаете, что только один имеет право на жизнь, вы слепец.
До этого я 22 года занимался разработкой акустических систем и потратил массу времени на поиск соответствия слуховых восприятий с измерениями. При огромном числе всевозможных тестов, самое трудное решить, какое из измерений наиболее показательно.
Выбор параметров
Предмет раздора среди разработчиков акустики исходит из несогласия, какое измерение считать главным. Вероятно, ни один громкоговоритель не обладает всем набором данных, оттого что одни дизайнеры «завернуты» на одном параметре и не обращают внимания на другой. Вот почему громкоговорители всех ценовых категорий так по разному звучат: разработчики под влиянием маркетологов, следуют сиюминутной моде. Сегодня — это высокая чувствительность, вчера — минимальная фильтрация, еще раньше — линейная фазовая характеристика, до этого — отсутствие окраски. В до хай-файные времена был спор между звучанием техники с западного побережья с техникой с восточного берега США. Вот и судите после этого.
В электронике все выглядело гораздо проще: нет забот о характеристике направленности, переходная характеристика превосходила реакцию любого динамика, частотный диапазон был шире любого из акустических преобразователей — микрофона, головных телефонов или громкоговорителя. О чем заботиться? Меряй себе искажения и все тут.
К сожалению, не все так просто. В электронике корреляция между процентами искажений (THD — Total Harmonic Distortion — суммарный коэффициент искажений) и субъективной оценкой звучания практически равна нулю. В результате, какой-нибудь ресивер из дешевой стойки имеет гармоники куда меньшие, чем ламповый усилитель из лучших. Значит ли это что «все усилители звучат одинаковое? Определенно нет с качественной акустикой. А справедливо ли обратное утверждение, мол, измерения ничего не значат? Нет, ни первое, ни второе не подтверждаются; в мире масса усилителей с плохими параметрами, причем и звучат они ужасно. Стало быть есть смысл в измерениях.
Причина здесь не в субъективизме слушателя, он не виноват, а в самих измерениях. В этом нет никакой новости, вы можете измерять все что угодно, но масс-спектрометр не выявит особой разницы между ленчем из институтской столовки и классным завтраком из приличного ресторана. Было бы глупо полагать, что машина права, а ресторанные гурманы сами введены в заблуждение вроде "эффекта плацебо". Это наглое игнорирование субъективизма выглядит как попытка прикрыть неприличие фиговым листком науки.
И гурманы и искушенные слушатели как раз правы в своем субъективизме; такое положение дел должно побуждать серьезных разработчиков на поиски того, что лежит под поверхностью. Мы же можем заявить с полным правом лишь одно — простое измерение THD несет очень мало информации о качестве самого аппарата.
Анализ спектра
Когда Мэт Камна (Matt Kamna) предложил мне участвовать в обмерах ламповых драйверов с помощью его собственного анализатора спектра (Hewlett Packard 3585А), я ухватился за этот шанс. Мне было долгое время ужасно любопытно объяснить, отчего различные схемы звучат так, как они звучат. Ведь это влияет на мою работу как разработчика акустики; замена схемы в усилителе равносильна разбалансу в разделительном акустическом фильтре в 1-2 дБ, хотя при этом частотная характеристика всего усилителя не изменилась.
Работа с этой мощной машиной представляет интерес — разрешение на экране 100 дБ и полоса измерений 40 мГц. Мы с Мэтом пошли дальше и использовали дополнительно анализатор Tektronix АА501А, чтобы с его помощью удалить основной тон; подключив HP анализатор к выходу Tektronix, мы получили дополнительные 20 дБ разрешения динамического диапазона.
Для упрощения анализа мы использовали синус частотой 1 кГц, а на выходе добились 50 V RMS. Если бы тестовый сигнал был частотой выше, то гармоники высших порядков получились бы меньших значений из-за завала высоких самой схемой. К тому же я хотел, чтобы гармоники со второй по пятую попали в диапазон 1-5 кГц, область максимальной чувствительности уха к искажениям.
Выходное напряжение в 50 V RMS было выбрано произвольно, однако для 300В, 2A3/6B4G, EL34/KT88 это значение будет вполне компромиссным. При сигнале в 50 V динамический диапазон измерительного тандема оказался равен 118 дБ, позволяя измерять искажения вплоть до 0,0002 %. Сигнал поступал от генератора Tektronix SG505.
6SN7 — триод с малыми искажениями
И наконец для тестов мы выбрали двойной триод 6SN7 во всех пяти схемах. Это одна из самых линейных драйверных ламп, ее искажения обычно в несколько раз меньше в сравнении с 12AU7 и 6DJ8. Чтобы добиться еще меньших искажений, вам пришлось бы применять экзотику вроде триода 76, 56 или прямонакальный монотриод 26 — настоящего старожила звукотехники. Измерять искажения этих ламп я оставляю журналу MJ Stereotechnic.
Я полагаю, что не каждый располагает подобной измерительной установкой из Тек SG505, ТекАА501А и НР3585А. Вы можете провести эти измерения, используя приличный тестовый CD и анализатор FFT с программой LAUD. Чтобы провести измерения точнее и расширить динамический диапазон, удобно использовать пассивный режекторный LC фильтр для удаления 1 кГц сигнала с выхода измеряемой схемы*. Желающие могут обратиться к статье в журнале ТАА (The Audio Amateur) 2/96, стр. 42, 43.
Когда мы состыковали все приборы и запустили тест, то увидели на экране множество мелких деталей. Но, как обычно, «прочесть» сходу всю картину искажений с экрана оказалось очень непросто. Гармоники вплоть до 11-й у каждой схемы имели свой характер И при такой массе экранных картинок сделать какие-либо выводы о гармонической сигнатуре каждой схемы просто невозможно.
После некоторых раздумий мы с Мэтом решили сгруппировать все четные и нечетные гармоники отдельно. Ведь четные обязаны несимметричному механизму искажений, а нечетные — симметричному. После этого нам оставалось данные иэ таблиц перенести на график. Чтобы не вычерчивать все это от руки и не заниматься скучнейшей работой, я использовал Microsoft Excel (см. рис. 1 и рис. 2).
Удаление основного тона окажется полезным и при простых замерах THD и при наблюдении суммарных продуктов искажений на экране осциллоскопа. Чтобы не быть голословным, рекомендую пару решений режекторной цепи. Смотри схемы и расчетные формулы в конце статьи. — Пром. ред. «Вестника».
Интерпретация полученных данных
После чартов в Excell скрытое поведение гармоник становится очевидным. На экране спектро-анализатора мы видели малопонятный частокол из-за того, что скорость убывания четных и нечетных гармоник была разной у каждой схемы. Теперь это сложное переплетение стало объемным и развалилось на две гистограммы, одну с четными, другую с нечетными гармониками. Каждая из них по разному влияет на появление интермодуляционных боковых полос, нечетные гармоники создают частокол из близкоотстоящих боковых полос, в то время как четные гармоники создают ряд из очень удаленных друг от друга боковых полос. Посмотрев на рис. 3 с измерительным сигналом в 14 и 15 кГц (по стандарту CCIF), картина становится более понятной. При этом тесте вторая гармоника (точнее, нелинейность второго порядка) производит интермодуляционные продукты с частотами 1 и 29 кГц (рис. 4), а третья гармоника, то есть нечетная, создает IM продукты с частотами 13 и 16 кГц (рис. 5).
Вернувшись к таблицам данных на рис. 1 и рис. 2, можно без труда заметить, что значение THD от 0,4 % до 1,88 % всякий раз получено благодаря доминирующей второй гармонике, и потому остерегайтесь цифр THD в паспортах на аппараты, где полностью игнорируется информация о заполнении спектра и характере спадания уровней каждой гармоники. В этом случае при одинаковых цифрах THD полностью маскируется весьма разный характер «хвоста». Глянув на величины составляющих спектра можно увидеть, как в одних схемах есть возможность неглубокой компенсации одних гармоник и никак не подавить (скомпенсировать) другие, в других схемах наблюдается спад гармонического «хвоста» прямо-таки по учебнику. Возможно такое поведение является причиной субъективного восприятия тонального баланса (или небаланса) различных схем, что никак не вычислить с помощью измерений частотного диапазона.
Субъективное восприятие может быть на самом деле создано перевесом составляющих на уровне шума (даже весьма малого) в той или иной области частотного диапазона или соотношением между собой гармонических составляющих, и вовсе не отклонением частотной характеристики от прямой линии. Последнее-то выдержать на определенном участке как раз труда не составляет, ведь каждый из нас слышал транзисторный усилитель с призвуком жести и ламповый с притуплённым скучным звуком; хотя всякий раз их «частотка» была ровной, но ведь звучали-то они не ровно!
Вкл/Выкл шунтирующего конденсатора
Рис. 3. Смесь 1:1 сигналов 14 кГц и 15 кГц, каждый без искажений. Вверху представлена картина на экране осциллоскопа в размерности V/mS. При том, что тестовые сигналы свободны от искажений, верхняя и нижняя огибающая уже заметно искажены, очевидно благодаря нелинейности осциллографа.
шштт
Внизу представлена картина на экране анализатора спектра в размерности дБ/кГц. Здесь более понятно, что искажений во входном сигнале нет благодаря высокой избирательности анализатора и логарифмической шкале. Шкала с глубиной -80 ДБ соответствует 0,01% искажений, тогда как на экране даже тренированный глаз способен заметить искажения не раньше 2 %, да и то на простой синусоиде. На сложных сигналах это еще сложнее увидеть. На экране осциллоскопа можно ясно увидеть жесткое клиппирование (отсечку, ограничение) или выброс на ступенчатом сигнале.
Рис. 4. Смесь 14 и 15 кГц при четных гармониках. Отмегьте, как четные гармоники создают боковые полосы (комбинационные составляющие), удаленные от тестовых сигналов. Очевидно подобие с амплитудным детектированием (AM), показывающим, как выделяется огибающая 1 кГц при несущей 15 кГц посредством диодного детектора.
Конечно, при сильном ограничении, показанном на верхней осциллограмме, образуется гораздо больше комбинационных тонов. Для простоты на спектре изображены только две боковых полосы.
Рис. 5. Смесь 14 и 15 кГц при нечетных гармониках. Нечетные гармоники сгруппировались рядом с тестовыми сигналами. При жеегком ограничении образуется гораздо больше составляющих. Огибающая подобна функции Бесселя (харак-териегика гребенчатого фильтра), а также спектру фазочастотной модуляции (FM). Для простоты на спектре изображены только две боковых полосы, образованных нелинейностью третьего порядка.
При включении и выключении шунтирующего конденсатора в катоде картина искажений на экране анализатора спектра меняется разительным образом. Хотя эта операция выглядит примитивной, однако она заметно меняет рабочие характеристики триода. Если он включен в схеме с фиксированным смещением или катод зашунтирован конденсатором, справочные данные на усиление, сопротивление гр (внутреннее динамическое сопротивление) и крутизну усиления s вполне пригодны для расчетов. Если конденсатор отключен, то Гр и s изменятся и весьма значительно.
Большинство думает, что резистор в катоде, не зашунтированный конденсатором, лишь создает локальную обратную связь, линеаризующую поведение схемы. Это правда, но не вся правда. В тот момент, когда усиление остается прежним, внутреннее сопротивление лампы возрастает, а крутизна ее падает.
К примеру, лампа 6SN7 с катодным резистором 800 Ом изменяет свое внутреннее сопротивление гр с 7,7 кОм до 23,7 кОм — более чем в три раза! Одновременно с этим крутизна падает также втрое, В результате линейность лампы здорово ухудшается; это подобно резкому падению эмиссии.
В схемах с межкаскадной RC связью последствия от такого вот отключения (или неподключения изначально) шунтирующего конденсатора весьма ощутимы и печальны. Чтобы работать с низкими искажениями, триоду требуется нагрузка в аноде не менее чем в 3-4 раза большая его внутреннего сопротивления гр. Так как при RC связи между каскадами нагрузка лампы представляет собой параллельное соединение анодного резистора с сеточным сопротивлением утечки следующего каскада, то в этом случае и впрямь не много свободы в деле увеличения нагрузки в анодной цепи лампы (за исключением разве что питающего напряжения, что создаст проблемы во всем усилителе.е.
При включении и выключении шунтирующего конденсатора в катоде картина искажений на экране анализатора спектра меняется разительным образом. Хотя эта операция выглядит примитивной, однако она заметно меняет рабочие характеристики триода. Если он включен в схеме с фиксированным смещением или катод зашунтирован конденсатором, справочные данные на усиление, сопротивление гр (внутреннее динамическое сопротивление).Когда вы удаляете конденсатор, прежде удовлетворительное соотношение нагрузки в аноде к гр становится гораздо менее приемлемым, так как теперь внутреннее сопротивление гр оказалось втрое больше, что эквивалентно развороту линии нагрузки по часовой стрелке и характеризуется большей нелинейностью. Образовавшаяся локальная обратная связь по току старается как-то линеаризовать эту нелинейность, но что можно поделать, когда линия нагрузки почти вертикальна и половинка синусоиды на закрытие заходит в очень нелинейную область при малых токах.
Влияние на искажения
Все это имеет катастрофическое влияние на весь спектр продуктов искажений. Теперь лампа приобретает присущие ей искажения, которые частично выправляются обратной связью. Это даже может привести к уменьшению второй гармоники, но не способно справиться с высшими гармониками, которые безудержно вырастут. Судя по табличным данным, это не так очевидно, но все-таки мы с Мэ-том пытаемся обойтись без RC связи между каскадами за исключением обычной двухкаскад-ной схемы, где в самом деле уровень высших гармоник весьма ощугим. Хотя мы не занимались измерением их специально (двух каскадов, включенных друг за другом), но когда схема составлена из каскадов с нешунтированными катодами, то суммарные продукты нелинейности окажутся несомненно выше, чем намеряно на одном каскаде. Схемы без прямого включения резистора в анод, то есть различные SRPP, мю-повторители и с трансформаторной нагрузкой, даже внешне выглядят предпочтительней.
При включении и выключении шунтирующего конденсатора в катоде картина искажений на экране анализатора спектра меняется разительным образом. Хотя эта операция выглядит примитивной, однако она заметно меняет рабочие характеристики триода. Если он включен в схеме с фиксированным смещением или катод зашунтирован конденсатором, справочные данные на усиление, сопротивление гр (внутреннее динамическое сопротивление).Плавное снижение уровня высших гармоник особенно заметно на схеме с трансформаторной нагрузкой. Возможно, воспринимаемая на слух «натуральность» и «прямота» трансформаторной связи как раз в этом и кроется, если посмотреть на характеристику спектра. Пожалуй, это самый «красивый» хвост гармоник, виденный мной, прямо точь-в-точь как в справочниках и книгах RCA, да и амплитуды составляющих меньше, чем у других схем. Ну-ка, попробуйте найти схему на транзисторе, который бы давал 50 V RMS на выходе при 1 % искажений без обратной связи!
При включении и выключении шунтирующего конденсатора в катоде картина искажений на экране анализатора спектра меняется разительным образом. Хотя эта операция выглядит примитивной, однако она заметно меняет рабочие характеристики триода. Если он включен в схеме с фиксированным смещением или катод зашунтирован конденсатором, справочные данные на усиление, сопротивление гр (внутреннее динамическое сопротивление).Продолжение статьи и обещанные схемы в № 6 «Вестника».
Автор: «Glass Audio» 4/97 Lynn Olson, Matt Kamna (по материалам журнала "Вестник АРА") http://www.heavil.ru/
