О звуке и о нас

Вольный инженер vs Киты Индустрии

Стерео... А почему..?

I want to have a Good sound!!!

Наши заблуждения

Советы по выбору аппаратуры

Википедия о Hi-End

О вреде и пользе ООС

О линейности выходных каскадов

Обзор микросхем ЦАП

Зомбированные Мурзилками

Искажения в УМ и ЦАП

Что и как мы измеряем в УМ

Принципы построения моего УМ

Разработка и Апгрейд аппаратуры

Принципы
построения
ES 6.2

               В этой статье рассмотрен усилитель мощности последней версии 6.2
                        со встроенным мультибитным ЦАПом PCM1704

     В статье озвучена Идеология и Концепция, рассказано, как и почему лучше обойтись без цифровой фильтрации вообще и сигма-дельта ЦАПов в частности.
     Приведены результаты моделирования отдельных каскадов и усилителя в целом, показано, как обеспечить устойчивость и перегрузочную способность при глубочайшей ООС. Немного рассказано о «неизмеримом» в звуке, немного – о защите АС, много и наглядно – об ООС.

     Идеологически усилитель построен по принципу минимального вмешательства в музыку. Его задача – бережно сохранить мельчайшие детали и колорит  каждой записи, богатство и неповторимость её реверберационной  картины,  все те индивидуальные эмоции, которые вложили музыканты и звукорежиссёр в своё творение.
      Самое время вспомнить, что звуковоспроизводящий тракт состоит из нескольких обособленных компонентов. И каждый из этих компонентов должен соответствовать общей идеологии.
       Минимально вмешиваться – значит обладать минимально возможными искажениями, ниже порога их заметности, в идеале ниже 0.001%.  Увы, каждый комонент со столь хорошими параметрами будет отдельной проблемой для тех из нас, кто не готов к компромиссам.
     И дело тут не только в трудности задачи, загвоздка в том, что
          Корпорациям  не очень нужно, чтобы вы скорее обрёли истинное звучание,
                но им определённо нужны ПРОДАЖИ.
     Действительно хорошее предлагается за баснословные деньги, в надежде на то, что вы прежде как следует поэкспериментируете, перебирая относительно бюджетную продукцию.
     Раскошелитесь в итоге по полной – отлично, плюнете на это дело – тоже хорошо, пару – тройку бюджетных аппаратов вы всё же купили…

     Интересен сам факт: ко мне ни разу не приходил человек, что называется, «с улицы», все мои клиенты пришли, вдоволь, так сказать, наигравшись бюджетной и не очень бюджетной продукцией ))  
Краткий экскурс в копроэкономику и небольшие технические консультации  никого не оставляли равнодушными, а после прослушивания люди уже очень сожалели о ранее потраченном времени и безвозвратно потерянных деньгах…
    Копроэкономика эффективна и беспощадна, остерегайтесь стать её жертвой!

     У меня ситуация нетипичная, поскольку я предлагаю не просто железку,
      но  концептуальное решение проблем высокоточного воспроизведения.
          ES6.2 избавит вас от 60% этих проблем,
                    поскольку объединяет в себе
                    сразу три компонента
                                 &
          благодаря уникальной совокупности параметров
          даст редчайшую возможность услышать записи,
            минуя всякую цифровую фильтрацию,
    которая принципиально не способна не искажать звук.

Его ультраточный и предельно короткий тракт способен воспроизвести записи в их исходном качестве, наиболее приближенном к аналоговому звучанию.
Есть и классический 8х Upsampling (DF1706), и ASRC до 192 кГц (SRC4192), но об этом чуть позже.
Сейчас о Концепции. Зелёным шрифтом выделен соответствующий моей концепции вариант.
 

     Чтобы достигнуть столь точного звуковоспроизведения, для УМ существует только один путь – ввести глубочайшую ООС.  А чтобы усилитель был устойчив и ООС в нём работала правильно, его полоса пропускания должна быть очень широкой, порядка нескольких мегагерц.
     Тогда нелинейные искажения будут очень малы не только в диапазоне звуковых частот, но и далеко за его пределами.
      ОК, скажут многие, наверное это здорово, но ЗАЧЕМ мне полоса частот в 100 раз больше?!
Но на то она и Концепция, в ней всё взаимосвязано и согласованно, подогнано друг к другу.
     Полоса частот, исчисляемая мегагерцами, нужна для того, чтобы применить
      самые лучшие ЦАПы в самом оптимальном для точной звукопередачи режиме.

     !!!!!!!!   на частоте дискретизации оригинальной записи    !!!!!!!!!
     !!!!!!!!                   БЕЗ цифровых фильтров                          !!!!!!!!!

     Ведь если мы хотим исключить цифровой фильтр и работать на оригинальной частоте дискретизации CD (44.1 кГц), мы сталкиваемся с серьёзными трудностями.
      Дело в том, что форма сигнала на выходе мультибитного ЦАПа примерно такая


и его спектр содержит массу ультразвуковых составляющих. Любой серийный усилитель будет перегружен настолько быстрым сигналом и в нём возникнут IMD и TIM – искажения.
          Любой, но только не ES6.2!!!
ES6.2 совершенно свободно усилит и 20 кГц, и 200 кГц, а если очень хочется, то и 2 МГц!!!
     Это редчайшее качество как раз и позволяет использовать в качестве источника сигнала мультибитный ЦАП, работающий на оригинальной частоте дискретизации, с очень простым и качественным фазолинейным фильтром НЧ невысокого порядка.
     Фильтрация и восстановление исходной формы протекает самым естественным и безынерционным способом, неискажающим (и это крайне важно!) в том числе временнУю структуру сигнала – сначала в простом фильтре НЧ на выходе ЦАПа, а затем в фильтрах и динамиках АС.
      Звук остаётся ясным и чётким в смысле разборчивости и разрешения, и «собранным» в смысле пространственной локализации. Особенно хорошо это заметно на фазово – когерентной акустике (широкополосной, коаксиальной, планарной, на излучателях Хейла).

               Немного о технологии Upsampling
      Передискретизация, или интерполяция с целым коэффициентом, по-модному теперь называемая Upsampling, появилась почти 30 лет назад, сразу после того, как стало понятно, что выходной аналоговый фильтр ЦАПов получается очень сложным, а при использовании качественных компонентов ещё и очень дорогим.
      И это, по сути, единственная причина, по которой уже в начале 80-х родились на свет цифровые фильтры, которые искусственно поднимали частоту дискретизации и заполняли образовавшиеся временные дыры значениями, непонятно по каким правилам посчитанными.
      Интересно, что в отличие от непосредственно дискретизации (т.е. аналого – цифрового преобразования), процедура передискретизации не является финитной, т.е. для точного пересчёта необходимо было бы обработать огромный кусок аудиофайла. Конечно, никакая микросхема цифрового фильтра не в состоянии справиться с такой задачей, и использует упрощённые алгоритмы пересчёта.
      На слух это «упрощение» воспринимается как некоторая потеря чёткости и подёрнутая «песочком» локализация. Данных становится в двенадцать раз больше, аж 352 кГц 24 бита , только вот исходный сигнал из них уже не складывается… Кроме того, как можно увидеть из картинки, при увеличении частоты дискретизации количество «скачков» на выходе ЦАПа увеличивается. Общая точность, напротив, ухудшается, поскольку каждый из них не только имеет небольшой «глитч», но и неидеально прямоугольную форму. Неидеальность формы приводит к тому, что вместо вполне определённого значения мы на время переходного процесса имеем совершенно неверное, зависящее от скорости этого переходного процесса, значение.  Интересно, что накопленный за большое время, этот сигнал может показать очень неплохую точность.
      Но наш с вами слух устроен иначе, чем измерительные приборы и способен воспринимать очень быстрые изменения характера и формы звукового сигнала. По всей видимости, этим и объясняется способность слухового аппарата легко отличать звучание ЦАПов, обладающих схожими техническими характеристиками, но построенных на разных принципах (сигма-дельт от мультибитников или однобитных ЦАПов). Этим же свойством объясняется необыкновенная селективность слуха и к «знакомым» звукам на фоне очень больших помех, и к небольшим помехам на фоне знакомых звуков.

• Описание усилителя мощности
• Входной каскад
• Второй каскад
• Выходной каскад 
• Система индикации перегрузки и защиты АС
• Система компенсации проводов АС
• Параметры, полученные в окончательной реализации «железа»
• АЧХ усилителя и его устойчивость
• Результаты моделирования
• Тестирование TIM по методу Матти Оталы.
• Выводы по результатам тестирования
• Прогулка по недрам усилителя
• Выводы по результатам прогулки
• Очень наглядно об ООС
  Или
  Поздравляю вас, теперь вы – усилитель!
• Критерий устойчивости

                            Описание усилителя мощности

• Полностью дискретный, 26 транзисторов в схеме усиления плюс 16 транзисторов в схеме защиты.
• Продвинутая псевдодифференциальная архитектура
• Сверхлинейная каскодная схема усиления по напряжению на ПТ с граничной частотой 25 МГц
• Выходной каскад на MOSFET от IR с полосой пропускания 10 МГц
• Раздельное питание входных каскадов повышенным стабилизированным напряжением +/- 75В
• Глубочайшая общая отрицательная обратная связь
• Обратная связь охватывает ВСЁ, в том числе реле защиты АС и выходной фильтр
• Дополнительная цепь обратной связи для устранения влияния подводящего к АС кабеля
• Сверхнадёжная система защиты АС от инфранизкочастотных и
  высокочастотных составляющих большой амплитуды.
• Автоматическая стабилизация смещения нуля
• Высокочувствительная индикация перегрузки

        Усилитель трёхкаскадный, с тремя цепями коррекции.
Входной каскад – классический ДК, в нагрузке которого источники тока. Его усиление на низких частотах около 750, частота единичного усиления 35 МГц, перегрузочная способность +/- 0.35 В. Второй каскад (раскачки по напряжению) построен по каскодной схеме на полевых транзисторах, с солидным током покоя. Частота единичного усиления  каскада 25 МГц, усиление на низких частотах 8000, полюс пришелся на 3 кГц.
Выходной каскад  построен на MOSFET транзисторах по симметричной схеме повторителя напряжения.

            Входной каскад
Для входного каскада, сердца всего усилителя, главное – корректно произвести вычитание выходного сигнала из входного с минимумом «побочных эффектов», т.е. искажений. В результате его усиление относительно невелико. Благодаря же огромному усилению усилителя в целом (150000 раз на частоте 20 кГц) входной каскад работает в супермалосигнальном режиме, дифференциальное напряжение всего +/- 0.4 мВ (перегрузочная способность 800 раз). Моделирование подобного входного каскада даже с принудительно введённой кривизной порядка 3% (типичный закос от небрежного подбора деталей) показывает уровень искажений около -140 дБ (одна десятимиллионная часть) 2-я гармоника и -160 дБ 3-я. На этом же уровне находятся интермодуляционные искажения.

            Второй каскад
        Для второго каскада (усилителя напряжения) важно получить большое усиление, максимальное быстродействие и хорошую линейность. Поэтому он выполнен по каскодной схеме, в качестве преобразователя напряжение – ток используется дифференциальный каскад на полевых транзисторах (JFET), нагружен он на каскад с общей базой. Работает этот каскад при входном дифференциальном напряжении +/- 50 мВ (на частоте 20 кГц), запас по перегрузке составляет около 12 раз. Моделирование этого каскада показывает уровень второй гармоники около 0.15% и третьей гармоники 0.5%, гармоники убывают примерно как 1/n^2.5, то есть очень быстро, быстрее даже, чем у двухкаскадного усилителя на ламповых триодах . Уровень например, 5-й гармоники составляет всего лишь 0.004%, а 7-й и выше - 0.0003%.

        Полученные значения искажений позволяют, казалось бы, предположить, что второй каскад всё же является слабым звеном во всей конструкции (гармоники 0.5% на частоте 1кГц!). На самом деле это не совсем так. Искажения на относительно низких частотах (до 5-7 кГц)очень хорошо подавляются с помощью ООС. Для высоких частот, например, 20кГц,  IMD этого каскада будут выглядеть так

                2-я и 3-я гармоники, так же как IMD, оказались на уровне 0.15%.
        Удивительно, но мы можем наблюдать снижение искажений несмотря на увеличение частоты! Происходит это потому, что в каскаде имеется специальная коррекция, которая служит нагрузкой на высоких частотах, и нагруженный на эту цепь каскад на высоких частотах оказывается более линеен.
Если посмотреть на задачу конструирования в комплексе, станет понятно, что компромисс достигается на стыке многих противоречивых требований. Оптимизация схемы далеко не так  очевидна, как кажется на первый взгляд.
            Выходной каскад
        Состоит из 10 транзисторов, 6 из которых образуют мощные индивидуальные драйвера для 2-х согласованных пар выходных полевых транзисторов (IRFP240/IRFP9240).
        Моделирование подобного каскада показывает, что уровень гармоник и их распределение сильно зависят от тока покоя и величины выходного сигнала. Ток покоя был установлен 250 мА, изменялся уровень сигнала. Нагрузка была 6 Ом.
         Для выходной мощности 0.5Вт, когда выходной каскад остаётся  в классе А, гармоники и интермоды не превышают 0.01%.

        Для выходной мощности 2Вт уровень гармоник и интермод составит уже 0.07%, причем преобладать будут нечетные гармоники.  Это самый худший случай для моделируемой схемы.

        Для выходной мощности 100Вт искажения будут немного меньше, около 0.06%, но преобладать уже будут чётные гармоники, по причине несимметричности выходных транзисторов.

       Во всех результатах моделирования видно, что интермодуляционные искажения по величине примерно равны гармоническим и для выходных каскадов находятся на уровне 0.1% (класс А, как показано здесь, не исключение). Так же хорошо заметно, как медленно спадают гармоники. Без применения ОС все эти искажения прекрасно заметны на слух, поскольку они выше порога чувствительности слуха более чем в пятьдесят раз.
Примерно на такой уровень искажений вы и можете рассчитывать в случае усилителя без ООС.
        Существует, однако, миф, что в звуковом сигнале присутствуют и некие неизмеримые составляющие, которые нельзя даже зафиксировать, но которые, тем не менее, сильнее всех страдают при прохождении через каскады усиления. Поскольку этот миф никак не подтверждается ни теорией электрических процессов, ни практикой электрических измерений, предлагаю, всё же,  считать эти составляющие явлениями неэлектрической природы.

      Моделирование и измерения показывают, что усложнение тестового (вплоть до подачи шумового) сигнала не ведёт к появлению каких-либо дополнительных, по отношению к случаю 2-х частотного тестирования, составляющих.
        Таким образом, для исчерпывающего численного определения искажений необходимы  и достаточны несколько спектрограмм, полученных с использованием 2-х частотного сигнала:
        -- Для низких частот (где могут быть тепловые искажения, искажения, порождённые разделительными конденсаторами низкого качества и искажения от серво-систем)
        -- для средних частот (где предыдущий вид искажений отсутствует и будут наилучшие циферки)
        -- для высоких частот (где меньше глубина ООС и происходит весьма существенное увеличение искажений).
Самое главное, такие спектрограммы позволяют судить о характере убывания гармоник. Доказано, что слух человека малочувствителен ко второй и третьей гармоникам,  но обладает потрясающей чувствительностью (до 0.001%!!!) к высоким гармоникам, начиная с пятой.
Приблизительно так же дело обстоит с интермодуляционными искажениями. На средних частотах существуют интервалы, где интермодуляции высоких частот не маскируются, и уровень их заметности составляет до 0.001%.   
        Производители указывают только лишь общий Кг (корень из суммы квадратов отдельных гармоник), при этом ничего не говорится о спектральном составе этих искажений. То есть усилитель с искажениями 0.01 % может быть как весьма приличным (если основной вклад вносят низшие гармоники), так и посредственным, если высокие гармоники недостаточно подавлены.

            Система индикации перегрузки и защиты АС

        Надо сказать, что в современных усилителях системе защиты АС уделяется очень мало внимания. На обычном усилителе ни датчика ограничения, ни светодиода перегрузки как правило нет вовсе, и система защиты АС даже не подозревает о том, что перегрузка произошла. Производители подобной аппаратуры «забыли» даже о том, что ВЧ драйвер имеет гораздо меньшую мощность, чем драйвер НЧ. Спалить акустику таким усилителем, имеющем к тому же двойной запас по мощности (как рекомендуют большинство печатных изданий) не составляет никакого труда! Я это делал неоднократно, почему и закладываю теперь в свои усилители и надёжную двухконтурную схему защиты АС, и поканальную индикацию перегрузки.
        Схема индикации перегрузки (клиппинга) использует для своей работы сигнал рассогласования, снимаемый непосредственно с входного каскада. Такое решение позволяет самым точным образом узнать, когда усилитель выходит из зоны своей линейной работы. Индикатор перегрузки, индивидуальный для каждого канала и расположенный на лицевой панели, начинает светиться красным, если время клиппинга составляет более 0.5 мс, и продолжает светиться следующие 150мс. В случае повторного клиппинга индикатор продолжит свечение ещё 150 мс. Если клиппинги непрерывны, система защиты сочтёт ситуацию аварийной и отключит АС. Включение АС произойдёт автоматически после прекращения аварийной ситуации. Аварийной сочтется ситуация и в случае кратковременной подачи инфрачастотного сигнала, способного повредить НЧ драйвер, и в случае непрерывной подачи высокочастотного сигнала амплитудой более, чем 30% от максимальной.
        Кроме защиты АС имеется защита собственно усилителя от перегрузок по току. Порог ограничения тока установлен около 30А и предполагает нагрузку не менее 4 Ом, с двукратным запасом на возможный «тяжёлый» импеданс реальной акустической системы. В случае возникновения токовой перегрузки усилитель примерно 5 мс удерживает ток на уровне около 30А, затем выходной каскад отключится и ток прекратится полностью. Возврат к нормальному режиму работы произойдёт только после выключения вами питания и устранения причины перегрузки (это может быть предмет типа «отвёртка» или «скрепка» на клеммах усилителя или АС J).

            Система компенсации подводящих к АС проводов
        Позволяет пользоваться недорогим и длинным кабелем, работает следующим образом.
С помощью дополнительного экранированного провода, идущего рядом с акустическим кабелем, измеряется напряжение на земляной клемме АС. Это напряжение подмешивается в обратную связь с тем расчётом, чтобы на выходе усилителя оно удвоилось. Если жилы проводов одинаковые, половина этого напряжения упадёт на земляном проводе, а половина на сигнальном. Таким образом, на клеммах АС останется в точности тот сигнал, что должен бы быть на клеммах усилителя, будь система компенсации выключена.
         Всё, провод, доставлявший столько хлопот, в электрическом смысле исчез!
Если вы всё же решите использовать хороший (а стало быть и толстый J) кабель, просто оставьте вход компенсации неподключенным.

            Параметры, полученные в окончательной реализации «железа»:

• Выходная мощность (8 Ом)                                                                                       180 Вт x 2
• Выходная мощность (4 Ом)                                                                                       300 Вт x 2
• Коэффициент усиления                                                                                             50
• Задержка распространения сигнала                                                                         60 нСек
• Диапазон воспроизводимых частот (малосигнальный)                                            10Гц – 2.8  МГц
• Диапазон воспроизводимых частот
  (полной амплитуды)                                                                                                     20Гц - 700 кГц
  

• Скорость нарастания выходного напряжения                                                            260 В/мкс
• Глубина обратной связи на частоте 20кГц                                                                 3000 раз (69 дБ)
• Глубина обратной связи на частоте 7кГц                                                                  30000 раз (89 дБ)
• Глубина обратной связи на частоте 1кГц                                                                100000 раз (100 дБ)
• Коэффициент гармоник (на частоте 7кГц, 100Вт), не более *                                   0.0003  %  (-110 дБ)           
• Коэффициент гармоник (на частоте 20кГц, 100Вт), не более *                                 0.0008  %  (-102 дБ)
• Уровень интермодуляционных искажений CCIF (разностная частота
  19.43 и 20 кГц, 35+35% максимальной амплитуды), не более**                                0.0002 %   (-114дБ)
• Уровень гармоник сети 50Гц (100Вт)                                                                           0.0005  %   (-106 дБ)
• Ток покоя                                                                                                                        250    мА
• Выходное сопротивление выходного каскада (без ООС)                                            0.2 Ом
• Отношение сигнал/шум (взвешенное)                                                                          116  дБ
• Коэффициент демпфирования(10Гц-5кГц, 8 Ом, на клеммах усилителя)                1600  
• Коэффициент демпфирования(10Гц-5кГц, 8 Ом, на клеммах АС,
  провод 1мм длиной 4м, система компенсации провода выключена)                         50
• Коэффициент демпфирования(10Гц-5кГц, 8 Ом, на клеммах АС, провод
  1мм длиной 4м, система компенсации провода включена)                                        500 

*Гармоники измерены в полосе частот 40 кГц.
** Использовался метод разностного тона CCIF (классический «советский»).
Все параметры приведены для сопротивления нагрузки 8 Ом.

          АЧХ усилителя и его устойчивость

        На приведённой ниже диаграмме показаны возможные варианты АЧХ усилителя.
        Нулю дБ соответствует базовое усиление 50 раз.
        Сплошной красной линией показана АЧХ усилителя мощности с разомкнутой петлёй ООС.
         Сплошной синей линией показана АЧХ с замкнутой петлёй ООС.

        Надо отметить, что диаграмма эта в жизни строится справа налево, начиная с частоты E.
Частоту эту стремятся получить как можно больше, с тем чтобы поиметь возможно большее усиление на низших частотах. В этом месте все пляски с бубнами происходят возле выходного каскада. Не лишней бывает корректировка фазы на опережение в каскадах предварительного усиления. Мне удалось получить эту частоту равной 10 МГц.
        Согласно критерию Найквиста, усилитель будет устойчив, если его АЧХ пересечёт отметку в 0 дБ (точка D) с наклоном не более 6 дБ на октаву. При этом обеспечивается такой сдвиг фазы, при котором отрицательная ОС гарантированно не превращается в положительную.
        Дальше интересно. Как получить максимум усиления на высоких частотах звукового диапазона, если частота Е уже определена в 10 МГц, а частота D, согласно методу Найквиста, получилась всего 2 МГц?! Ведь если идти классическим путём «однополюсного» усилителя, АЧХ получится как штриховая серая линия на картинке, а запас по усилению на частоте 20 кГц будет всего 100 раз! (с искажениями в сотые доли процента!). Ответ прост. Необходимо создать ещё один полюс на частоте С левее частоты D и как можно ближе к ней.
        Частота С. Не надо забывать о том, что на этой частоте сдвиг фазы недопустимо велик с точки зрения устойчивости (это, кстати, совершенно не означает наличие каких – либо дополнительных временных задержек, время прохождения сигнала любой частоты от входа усилителя до его выхода примерно 60 наносекунд). Мне удалось получить её примерно 650 кГц. Полученный в усилении выигрыш составил 30 раз (!!!) на частоте 20 кГц.
        Частота В. Получилась около 7 кГц. Этот полюс рождён тем же корректирующим звеном, что и полюс на частоте С. Находится это звено во входном каскаде.
        Частота А. Отвечает полюсу, сформированному каскадом усилителя напряжения.

                              Результаты моделирования

        На осциллограмме ниже приведена переходная характеристика усилителя для большого сигнала.
                Частота 100 кГц.

        На следующей осциллограмме приведена переходная характеристика усилителя для малого сигнала.
                Частота 100 кГц.

        На следующей осциллограмме приведена переходная характеристика скачка 60 В, очень сильно растянутая по вертикали. Шаг сетки 10 мкВ соответствует одному младшему разряду 16 бит. Время установления выходного напряжения до точности 16 бит всего 2.15 мкС.

        Далее приведена осциллограмма, иллюстрирующая поведение усилителя в режиме ограничения сигнала на примере пилообразного напряжения 10 кГц. Вход в ограничение слегка плавный, выход происходит с минимальной задержкой (2 мкС) и свободен от паразитных колебаний.

        На спектрограмме ниже приведены результаты двухчастотного (19 и 20 кГц равной амплитуды) моделирования IMD. Боковые частоты (18 и 21 кГц) составляют -115 дБ, или 0.00017%, а разностная составляет -135 дБ, или 0.00002%.
        Разница между боковыми и разностными частотами составила 20 дБ и почти совпадает с различием в коэффициенте усиления (26 дБ). Гармонические искажения на 20 кГц составили 0.0008%.
        

        Для сравнения, на спектрограмме ниже приведены результаты моделирования того же самого усилителя, но с АЧХ, линейной до 80 кГц (так горячо любимой пуристами от Hi-End). Неизбежная потеря усиления на звуковых частотах привела к росту разностных частот и гармоник в 3 и 1.6 раз соответственно.
        

        На спектрограмме ниже приведены результаты двухчастотного (40 и 43 кГц равной амплитуды) теста IMD. Рост искажений с увеличением частоты свидетельствует об обоснованности заботы о запасе быстродействия усилителя. Разностная (3кГц) -131дБ, боковые -103дБ, гармоники -90дБ (0.004%)

        На спектрограммах ниже приведены результаты теста SMPTE (600 Гц и 15кГц) для двух случаев. В первом случае (слева) тестировался обычный вариант усилителя, во втором случае (справа) вариант с линейной до 80кГц АЧХ. Из спектров видно, что для обычного усилителя уровень разностного тона составляет -122 дБ (0.0001%), гармонические искажения на 15 кГц составили тоже около 0.00015%, на частоте 600 Гц около 0.00002%. Для усилителя с линейной АЧХ результаты примерно в 2-3 раза хуже.
        

          ВСЕ приведённые выше тесты являются, так сказать, классическими и используют «стационарные» сигналы.
Конечно, музыка даже близко не похожа на наши тестовые сигналы. В реальных звуках не найти двух одинаковых миллисекунд, разве что в электронной музыке.

           Примем это возражение в качестве отправной точки к размышлениям о том, какое же воздействие было бы адекватным настоящему звуку. Требований несколько:

• Широкий спектр
• Сложность сигнала, т.е. непредсказуемость его изменения с точки зрения вольтметра. Сложность, однако, не должна быть избыточна, поскольку это сильно затруднит анализ полученного спектра.
• Периодичность сигнала, так как спектр с хорошим разрешением можно посчитать только при наличии солидной выборки.
• и, наконец, ограниченный сверху частотный диапазон. Наличие очень быстро меняющихся составляющих, пусть даже небольшой амплитуды, сделает процедуру измерения некорректной.

        Хорошим приближением можно считать попытку Матти Оталы, предложившего использовать сумму меандра частоты 3.18 кГц, пропущенного через фильтр с частотой среза 30 кГц и синусоидального сигнала 15 кГц. Мы можем только догадываться, с какой крутизной спада и какого типа фильтр предлагал применить автор; я применил самый простой RC фильтр первого порядка.
Уровень T.I.M. искажений (спектр сверху) составил 0.0002% и почти неотличим от IMD, полученных с использованием синусоидального сигнала (спектр снизу, на нём отсутствуют нечётные гармоники меандра 3.18 кГц).

      Правильно спроектированный усилитель почти полностью свободен от TIM искажений, что и подтверждают спектрограммы выше.
Теперь попробуем применить методику пожёстче, подав на вход усилителя сигнал с бесконечным спектром. Для этого уберём RC звено, фильтрующее меандр 3.18 кГц. Результаты измерений должны быть много хуже…
Действительно, уровень TIM искажений оказался в пять раз хуже, однако всё ещё находится на приемлемом уровне (0.001%).

                    Выводы по результатам тестирования
        Модель, к сожалению, идеализирует возможности практической реализации, в жизни получились примерно в два раза худшие характеристики.
        Они, тем не менее, гарантируют незаметность всех видов искажений, поскольку искажения находятся ниже порога чувствительности слуха.
Надо сказать, что чувствительность слуха к искажениям хорошо исследована, применяемые для этого методики довольно хитры и самобытны (как и многие другие способы измерения очень малых величин, давно придуманные изобретательными людьми, у которых в отличие от нас с вами было много времени подумать и поэкспериментировать).

                   Теперь предлагаю вам совершить прогулку по недрам усилителя во время усиления им сложного и быстрого сигнала по методу  Матти Оталы.

       Так выглядит фрагмент входного сигнала. Видно, насколько быстрые процессы по сравнению с плавными синусоидами 15 кГц порождает меандр 3.18 кГц, даже фильтрованный. Действительно, для медленного усилителя тест серьёзный!

        А так выглядит дифференциальный сигнал на выходе входного и на входе второго каскада.
         Видно, что сигналы с большой скоростью изменения вызывают значительную амплитуду.
        

        Тот же сигнал, сильно растянутый по горизонтали. Скачок дифференциального напряжения составляет всего 12мВ.
         Видно, что усилитель без всякого труда справляется с этим сигналом.

     НО если убрать фильтр, ограничивающий спектр меандра 3.18 кГц, картина получится совершенно иная!
На графике ниже показан этот случай. Тот же самый участок, вертикальная шкала в 20 раз грубее. Видно, что после перепада входного напряжения усилитель примерно 40 нСек «догоняет» изменившееся входное напряжение, затем включается ООС и сигнал рассогласования постепенно уменьшается до номинального значения.
        Из осциллограммы ниже видно, что входной каскад работает в линейном режиме, а дифференциальное напряжение на его выходе составляет 1.3В. Для второго каскада это входное напряжение немного больше его динамического диапазона (1.2В), каскад динамически перегружен, и в этот момент мы можем наблюдать максимальную скорость нарастания выходного напряжения, около 260В/мкС.

        

        На время порядка 60 нСек усилитель оказывается динамически перегружен. Во время динамической перегрузки усилителя мы можем наблюдать полную потерю некоторой части информации о сигнале. Именно этим эффектом объясняется большой уровень TIM искажений очень многих медленных усилителей с ОООС (чем медленнее усилитель, тем большее время длится динамическая перегрузка). Медленные усилители, фактически, всегда недалеки от динамической перегрузки, и неизбежно окрашивают ВЧ часть звукового диапазона.
        Снижение глубины ОООС, как известно, благоприятно сказывается на перегрузочной способности каскадов усиления и может помочь снизить TIM искажения. Но наша цель в другом - разобраться, нельзя ли снизить TIM искажения, сохранив при этом глубокую ОООС, которая так полезна в смысле остальных видов искажений?
       Давайте вернёмся к картинке выше. Совершенно очевидно, что чем быстрее усилитель "догонит" входной сигнал, тем меньше будет потеряно информации. В этом первый плюс большого быстродействия.
        А что же с линейностью усилительных каскадов, спросят многие, не повредит ли большое быстродействие этому далеко не последнему параметру?!
        Как это ни странно - линейность и быстродействие очень хорошо сочетаются в некоторых современных полупроводниковых приборах, и при условии правильного выбора рабочей точки не противоречат друг другу.
       Увеличение быстродействия автоматически позволяет увеличить глубину ОООС, что радикально улучшает линейность входных каскадов, а в некоторых случаях и каскадов усиления напряжения, поскольку открывает возможность находиться на очень маленьком участке их рабочей характеристики. В этом второй плюс большого быстродействия.
       В ES6.2, например, мы можем наблюдать очень малую амплитуду напряжения на входе второго каскада (30мВ пик-пик на частоте 20кГц).

                                       Выводы по результатам прогулки

• Ссылаясь на работы Матти Оталы, очень многие авторы позволяют себе недопустимые упрощения и обобщения, а иногда и совершенно превратные толкования мыслей этого с большой буквы Учёного.
  Я имею в виду императивно произносимую очень многими фразу:
  «большая глубина ООС неминуемо породит TIM искажения»
• Утверждение, что большая глубина ООС неминуемо породит TIM искажения, является ошибочным.
  На самом деле оно справедливо только для некоторых схем, которые Матти Оталы и рассматривал в качестве примеров.
• Даже для усилителя с очень глубокой ООС параметры корректирующих звеньев можно подобрать так, чтобы на очень высоких частотах перегрузочная способность и входного каскада, и каскада усиления напряжения окажется достаточной для обработки таких серьёзных воздействий, как мгновенный скачок напряжения величиной 30% от номинального входного напряжения.
• Для усилителей с глубокой ОООС увеличение быстродействия и грамотная коррекция - единственно возможное "лекарство" от динамических искажений.
  
• В правильно спроектированном усилителе уровни TIM и DIM искажений совпадают. (Впрочем, это не новость, об этом писал сам Матти Оталы)
• Предложенный Матти Оталы способ измерения TIM искажений является не вполне корректным, поскольку использует тестовый сигнал с очень широким спектром (по меркам многих усилителей просто бесконечным).
• Утверждение, что ««для правильной работы ООС» АЧХ усилителя в звуковом диапазоне частот должна быть линейна» не соответствует действительности. 

                   ВСЕ приведённые выше тесты, включая тест TIM, являются, так сказать, классическими и используют «стационарные» сигналы.
Конечно, музыка даже близко не похожа на наши тестовые сигналы. В реальных звуках не найти двух одинаковых миллисекунд, разве что в электронной музыке.

         Вы ещё со мной!?       Это хорошо, потому что мы подходим к самому интересному.
        Сделаю смелое утверждение. Наши рассуждения о стационарности тестовых сигналов основаны на очень человечном отношении к проблеме.
Мы рассуждаем об усилителе как о некоей вычислительной системе, которая «знает», какой был сигнал тогда-то и как он изменялся. Что же, так думать очень по-человечески! Но давайте теперь представим себя на месте усилителя. Итак,

      Поздравляю, теперь вы – усилитель!

         Перед вами задача увидеть график, выходящий из – под пера самописца, усилить его по амплитуде (или хотя бы повторить) и тотчас карандашом нарисовать на движущейся под вашей рукой бумаге.
        Говоря точнее, вы Усилитель – Регистратор. У вас есть:

• входной каскад (глаза)
• цепь усиления по амплитуде (мозг)
• выходной каскад (руки).

Что усложняет вам жизнь (упс, виноват, выполнение вашего задания, конечно)

• Бумага самописца – оригинала движется очень быстро, и вы можете иметь представление о поведении графика только в самом недалёком прошлом. Иными словами, у вас очень короткая память, как и у любого другого усилителя, увы.
• Бумага самописца – оригинала не разлинована, как и та, что движется под вашей рукой.
• У вас тремор в руках (пульсации источника питания)
• У вас сегодня немного рассеянное внимание (шумы)
• У вас, как и у всех людей (то есть усилителей) мышцы руки «к себе» работают немного быстрее и сильнее чем «от себя».
• Ну и естественно, вы не имеете ни малейшего представления, куда в следующий момент двинется перо самописца. Вы ведь не провидец, а Усилитель-Регистратор, не так ли?

       Представили?!
У вас нет будущего и почти нет прошлого, всё, что вы можете – это точно и быстро пытаться следовать входному сигналу!  Вы не знаете, что такое спектр, частота, периодичность, вы знаете только, что такое амплитуда, и что она изменяется с некоторой скоростью. У вас есть только здесь-и-сейчас, вы внимательно следите за пером самописца чтобы не пропустить малейшее его движение.
       Ощутили?!

    Ну как, всё ещё чувствуете в себе силы рассуждать о простоте задачи усиления «стационарных» сигналов???

    Может быть, вы всё ещё помните, что такое «стационарные»?! Ну тогда вы ещё не усилитель, а человек!
С точки зрения усилителя никаких стационарных сигналов существовать не может, поскольку для него не существует понятия времени как совокупности происходящих друг за другом событий.
    С точки зрения усилителя понятие стационарность означает неизменное состояние сигнала, т.е. постоянное напряжение. Все остальные сигналы для усилителя непредсказуемы и нестационарны.
    Что действительно существует, так это одинаковость реакции усилителя на одинаковые воздействия.
Под одинаковыми воздействиями усилитель будет понимать движение с одной и той же скоростью в одном и том же  направлении при одной и той же амплитуде.
    С этой точки зрения понятие сложности сигнала обретает новый смысл. Сложным для усилителя будет сигнал, всё время меняющий своё направление и скорость при разнообразных амплитудах. Например, вот такой.

      Действительно, достаточно быстрый, скорость и направление интенсивно меняются, (верхняя частота 20 кГц); и довольно сложный, все горбушки находятся на разном уровне!
      Вынужден огорчить тех из вас, кто подумал, что мы только что открыли Америку.
Сигнал на графике – совершенно стандартный тест IMD, состоящий всего лишь из двух частот – 20 и 23 кГц. Сигнал повторяется, проходя по кругу 300 раз в секунду. За время одного цикла горбушки принимают 50 разных значений.
      Логично было бы предположить, что чем большее количество разных по амплитуде горбушек мы охватим, тем лучшее представление будем иметь о поведении усилителя. Это действительно имело бы смысл, будь усилитель нелинейной системой высокого порядка.
      Однако мы всё-таки имеем дело с не настолько плохими усилителями! Именно поэтому

Введение в тестовый сигнал дополнительных частот, вплоть до шумового, и многократное
увеличение цикла измерения никакого выигрыша в точности оценки качества не дают.

      Но вернёмся к нашему усилителю – регистратору, то есть к вам.
У вас три варианта:
      1. Вы усилитель без ООС, то есть вы уверены в точности своих глаз, мозга и рук настолько, что не хотите даже смотреть на то, что вы нарисовали.
      2. Вы усилитель с неглубокой ООС, вы видите размытую линию, которую только что нарисовали и имеете некоторые основания для подправления.
      3. Вы усилитель с глубокой ООС. Это будет означать, что у вас вместо бумаги прозрачная плёнка, положенная сверху на оригинал и движущаяся вместе с ним. Глазами вы одновременно с входным сигналом видите то, что нарисовали, видите мгновенную ошибку, мозгом усиливаете, и руки в следующий момент нарисуют уже подправленный сигнал. Естественно, на этот процесс потребуется некоторое время. Это время задержки распространения информации в вашем теле в основном и будет определять вашу точность в отрисовывании копии оригинала.
            Теперь предположим, что вы чертовски, просто адски быстры!
Движение пера самописца для вас настолько медленны, что вы вполне можете отложить свой карандаш, сходить попить чаю и даже успеть встретиться с любимой девушкой. Постойте же!!! Лучше останьтесь со мной! Возьмите штангель-циркуль и измерьте расхождение линий в долях миллиметра.      
      Поздравляю, у вас очень точный входной каскад! Это главная составляющая успеха. Полученное значение называется сигналом ошибки. С этого момента вам не нужно думать об абсолютном положении самописца; сигнала ошибки достаточно для того чтобы посчитать, в какую сторону и с какой силой подтолкнуть руку.
      Цель расчётов в том, чтобы плавно «догнать» линию самописца, и сделать это своевременно, пока она не повернула в другую сторону.
      Суть же расчётов в том, что сигнал ошибки аналоговым путём умножается (усиливается) на некий комплексный коэффициент, зависящий от скорости изменения (мгновенной частоты) сигнала ошибки. Самое время взять с полки книжку «Теория автоматического регулирования» и… начать строчить формулы! Шутка.
      На самом деле вполне можно ограничиться одним критерием, выведенным в конце раздела об устойчивости систем с ОС. Критерий является частотным и оперирует такими понятиями как усиление, частота и фаза.
Понятия частоты и фазы применимы только к  циклическому сигналу, например, к синусоидальному, поэтому перейдём именно к такому движению пера самописца.
Пытаясь следовать синусоидальному движению пера самописца ваша рука нарисует примерно такую же синусоиду, только запаздывающую по времени. Это запоздание можно выразить в градусах, учитывая, что полный цикл сигнала 360 градусов. Количество циклов сигнала, произошедшее за секунду называется частотой колебаний сигнала. На графике ниже зелёным показан входной сигнал, синим – запаздывающий выходной.

                  Вкратце, что вы имеете
      Ваше усиление, на низких частотах большое, уменьшается с повышением частоты
      Ваше запаздывание, или сдвиг фазы, на большой частоте весьма существенно, вплоть до того, что на самых высоких частотах вы рискуете сильно подталкивать руку в одну сторону, в то время как перо самописца уже успело сместиться в другую; в этом случае вы  непременно промахнётесь и попадаете в область нестабильной работы. Нестабильность означает раскачку на высокой частоте без малейшей возможности успокоения. 
      Вот и наметилось ограничение на вашу адскую прыть! Как бы вы ни были быстры, ваше запаздывание (сдвиг фазы) на какой – нибудь очень высокой частоте достигнет 180 градусов. В этот момент обратная связь из отрицательной превратится в положительную, и вы со всей своей скоростью адски загудите!!! Чтобы этого не произошло,

• Ваше усиление к этому моменту должно быть меньше единицы

      Как следствие – ваше усиление обязано снижаться с увеличением частоты.

      Дальше разбираться предлагаю на примере реального усилителя.
На рисунке ниже приведены графики коэффициента усиления  (зелёная сплошная линия, шкала слева) и фазы (зелёная пунктирная линия, шкала справа) в зависимости от частоты для усилителя с разомкнутой петлёй ООС. Графики эти принято называть «диаграммы Боде» по имени выдающегося инженера Хенрика Боде.
        Нулю дБ соответствует усиление один раз, 20 дБ – 10 раз, 40 дБ – 100 раз и т.д.
        

      Белой и красной линиями показано, как по этим графикам определить сдвиг фазы
в зависимости от потребного усиления. Розовая линия – глубина ООС для второго случая
на частотах 1 и 20 кГц.
        На осциллограммах ниже показаны переходные характеристики усилителей с замкнутой
петлёй ООС для этих двух случаев. Слева - усиление 17 дБ, сдвиг фазы 120 градусов;
справа – усиление 6 дБ, сдвиг фазы 150 градусов.

        Для первого случая имеем почти плавную характеристику с незначительным выбросом, для второго случая видим более быстрый переходной процесс, но с патологическим выбросом и «подзваниванием». Предпочтительным, очевидно, является первый из них. Добавлю, что переходной процесс совсем без выброса будет одновременно и более долгим, что отрицательно скажется на динамических свойствах усилителя.
В результате такого несложного рассуждения имеем очень хороший критерий устойчивости для усилителя с замкнутой ООС:

Если на частоте, на которой сдвиг фазы достигает 120 градусов, коэффициент усиления усилителя с разомкнутой петлёй ООС меньше базового («рабочего», с включённой ООС), то усилитель устойчив.
Иными словами
От нас требуется обеспечить «запас» усиления меньше единицы на частоте, где наше запаздывание превышает 120 градусов.

На главную