Устройство усилителя
Назначение усилителя — преобразование маломощного электрического сигнала, поступающего от источника, в мощный, способный идеально управлять электроакустическими преобразователями — громкоговорителями или наушниками — без каких-либо нежелательных влияний на исходный сигнал, т.е. без его искажения.
Немного истории
Усилители звука в современном представлениям, появились лишь в девятнадцатом веке, а до этого был орган — музыкальный инструмент, в котором легкое нажатие клавиши вызывает постоянное движение воздуха из сжатых мехов.
Пассивные акустические преобразователи (голосовые связки или мембрана фонографа) не имеют источника внешней энергии. В пневматическом усилителе, аэрофоне, конструкции созданной в 1875 году Т. А. Эдисоном, поток сжатого воздуха в трубке управлялся голосом человека, говорящего в вентиль с мембраной. В более позднем фонографе Пате, созданном в 1905 году и запатентованном под названием "оксетофон" (auxetofon), мембрана вентиля была соединена непосредственно с иглой.
Простор для развития усилителей открылся с появлением электронных приборов. Американский изобретатель Ли де Форест усовершенствовал вакуумный диод Д. А. Флеминга, использовав управляющий электрод в виде проволочной сетки (отсюда кстати и название) для регулировки потока электронов. Так родился триод, электрический аналог механического вентиля. У триода было множество положительных качеств, но и не меньше недостатков: малая мощность, низкая надежность (поэтому используется панелька, что упрощает замену), сильный нагрев и ограниченный срок службы. В конце пятидесятых годов прошлого века появился первый полупроводниковый элемент — транзистор, в котором электроны проходят не через вакуум, а через твердое вещество полупроводника (отсюда английское название транзистора Solid State). Разная среда прохождения электронов, по мнению некоторых аудиофилов, вызывает разное звучание транзисторных и ламповых усилителей.
Снаружи и внутри
В современном усилителе передняя панель содержит классический набор регулировок, селекторов, переключателей и обязательно гнездо для подключения наушников
Задняя панель усилителя
Усилитель образуют различные модули, которые могут существовать и отдельно. В последних моделях, как правило, число линейных входов увеличено до шести, а входы для звукоснимателя отсутствуют. Если в домашней системе есть проигрыватель грампластинок, то потребуется дополнительный предусилитель-корректор
У усилителей, запрятанных в недра музыкальных центров и являющихся их составной частью, выбор собственных функциональных возможностей невелик. Зато усилители автономные — поле невспаханное и урожайное. Внешне автономные усилители по сравнению с другими представителями воспроизводящей аппаратуры смотрятся как бедные родственники, поскольку их передние панели украшены минимальным количеством управляющих и контрольных элементов. Обязательными для классических стереофонических усилителей являются, как правило, сетевой выключатель, по-разному решенные переключатели входов, а также регулятор громкости и баланса стереофонических каналов. Для пользователей, которые считают, что они сами умеют регулировать звучание лучше, чем профессиональные студии звукозаписи, фирмы-изготовители добавляют еще и раздельные регуляторы высоких и низких частот, а иногда и фиксированную или регулируемую тонкомпенсацию (Loudness).
Однако чем меньше корректировок сигнала происходит в усилителе, тем ближе он к идеалу. Поэтому часто имеется возможность исключить все вспомогательные регулировки и фильтры из тракта обработки сигнала. Перечень возможных органов управления на передней панели замыкают селектор записи (совершенно необходим для фанатов аналоговой магнитной звукозаписи), селектор акустики и выход для подключения наушников. В дорогих моделей, ориентированных на пуристов, из всего перечисленного могут присутствовать лишь выключатель сети, селектор входов и регулятор громкости. Отсутствуют не только регулировки тембра, но даже и баланса. А использующим лишь один источник сигнала, например, CD-проигрыватель, вполне достаточно иметь усилитель и без селектора входов.
С другой стороны, задние панели усилителей отличаются гораздо меньшей аскетичностью. Кроме входов для различных источников сигнала и по-разному решенных многочисленных выходов для подключения нескольких пар громкоговорителей, на задних панелях находятся также выходы для подключения записывающих устройств, звуковых процессоров, в отдельных случаях и выходы с предусилителя, которые обеспечивают возможность подключения акустических систем с использованием активных фильтров по способу “bi-amping”.
Так выглядит усилитель внешне. А что у него под крышкой?
В классическом варианте усилитель состоит из двух основных частей — предварительного усилителя с регулировками и усилителя мощности, которые объединены в одном корпусе. Но возможно их отдельное существование. Отсюда деление усилителей на полные (или интегральные от английского Integrated Amplifier) и раздельные (или компонентные). Предварительный усилитель (в английском варианте Preamplifier или Control Amplifier) вне зависимости от того, входит ли он в состав более сложного устройства или является автономным устройством, выполняет три задачи. Принимает сигнал от источника, осуществляет при необходимости его частотную коррекцию. И наконец усиливает напряжение входного сигнала до уровня, необходимого для работы усилителя мощности. Чтобы минимально нагружать источники сигнала входной блок предусилителя обладает высоким входным сопротивлением.
Большинство источников (CD-проигрыватель, магнитофон, тюнер) обеспечивают относительно высокий уровень сигнала (порядка 200 мВ) и подключаются к так называемым "линейным" входам. Если источником сигнала является звукосниматель типа MМ или МC (с подвижной катушкой), то перед поступлением сигнала на селектор входов его необходимо пропустить через дополнительный усилитель-корректор, который выравнивает частотную характеристику и повышает его уровень до величины, отвечающей уровню сигнала остальных источников. После селектора входов сигнал поступает на блок регулировок и на выходы для подключения записывающих устройств. Выходной блок, так называемый “буфер”, обеспечивает низкое выходное сопротивление предусилителя, необходимое для согласования с усилителем мощности. С буферного блока сигнал может одновременно подаваться на внешние эквалайзеры, процессоры, активные фильтры и отдельные усилители для наушников.
Предварительный усилитель передает сигнал на усилитель мощности (в английском варианте Power Amplifier). Его задачей является обеспечить уровень мощности, необходимый для возбуждения (“раскачки”) подключенных громкоговорителей. Как и в предварительном усилителе, в усилителе мощности имеется входной блок, обеспечивающий необходимую величину входного сопротивления. Частично усиленный сигнал передается на задающий каскад, в котором сигнал усиливается до уровня, необходимого для работы силовых элементов оконечного каскада. Его подключение должно обеспечить как можно меньшую величину выходного сопротивления, по сравнению с сопротивлением подключенных громкоговорителей. Внешнюю энергию, необходимую для усиления сигнала, оба усилителя (предварительный и мощности) получают от источника питания, который вначале выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем его дополнительно стабилизирует для отдельных каскадов усиления.
Остается рассказать еще об одном критерии деления усилителей — по типу элемента усиления. Вначале этим элементом были только электронные лампы, которые практически полностью были вытеснены транзисторами. Таким образом, усилители делятся на ламповые и транзисторные. Впрочем, ламповые усилители в наше время можно часто встретить в аппаратуре категории High End.
Кроме классических двухканальных стереофонических усилителей, в последнее время все большее развитие получают (а во многих областях уже доминируют) многоканальные AV-усилители и AV-ресиверы, т.е. усилители с тюнером. Для воспроизведения многоканального звука они оснащены декодерами Dolby Pro Logic, Dolby Digital и DTS. От классических стереофонических усилителей AV-модели уже на первый взгляд отличаются большим количеством элементов управления, в число которых входят, кроме всего прочего, переключатели различных режимов пространственного звучания и эффектов, входов и выходов. Большой объем электроники приводит к тому, что AV-усилители высших ценовых категорий часто разделяются на предусилитель –прощессор и блок усилителей мощности. При чем в последнем случае для системы формата 5.1 можно найти вариант из пяти мощных моноблоков, одного пятиканального усилителя или остановиться на варианте с двумя усилителями мощности, имеющими три и два канала. Изготовители прилагают все мыслимые усилия, чтобы обеспечить максимально возможное качество звучания AV-усилителей и в театральном, и в стереорежиме. Поскольку в большинстве случаев это удается, с неизбежностью становятся самой популярной категорией звукоусилительной техники не только у поклонников домашнего театра.
Хотя усилители относятся к типично аналоговой аппаратуре, делаются попытки внести в их конструкцию цифровые элементы. В отличие от записи звука, где цифровые технологии заняли ведущие позиции, в области усиления их использование пока ограничено. Но прогресс не стоит на месте...
По пути сигнала
Самые удобные для конструктора и правильные для работы — селекторы входов на миниатюрных герконовых реле
В усилителях с чисто механической концепцией часто используются движковые переключатели с преобразованием вращения ручки в линейное перемещение замыкающего контакта
Подавляющее количество усилительных устройств с дистанционным управлением громкости оборудованы именно такими резисторами фирмы Alps
Поскольку на свойства и параметры усилителя влияют используемые в нем элементы, поговорим немного подробнее о некоторых из них в том порядке, в котором с ними встречается звуковой сигнал. В большинстве случаев в качестве входных используются разъемы типа "тюльпан" или по названию фирмы-изобретателя RCA, которые в Европе часто называют еще Cinch. Для двух каналов требуется пара разъемов, и конструктивно они часто объединены в двойки, четверки и восьмерки. В самых простых аппаратах они покрываются тонким слоем никеля, в более дорогих — слоем золота. Самые дорогие модели оснащаются позолоченными соединителями с тефлоновой изоляцией, стоимость которых может доходить до десятков долларов. Металл разъема на блоке должен соответствовать металлу кабельных соединителей. Комбинированный переход никель-золото (или наоборот) может со временем ухудшить качество сигнала. В некоторых дорогих усилителях имеются соединители типа XLR, широко используемые в профессиональной аппаратуре. В них передача сигнала идет по трехпроводной линии, позволяющей существенно уменьшить наводки, что важно при большой длине соединительных кабелей.
Входной сигнал можно переключать несколькими способами. Механические переключатели в недорогих моделях почти полностью заменили специальные интегральные схемы. Более точным и элегантным решением является использование миниатюрных реле, которые могут быть установлены непосредственно у входных разъемов. Встречаются и механические переключатели с гибкими механическими тягами (например, японской фирмы Alps), которые также позволяют максимально уменьшить длину соединительных проводников.
Другими элементами, с которыми встречается сигнал, являются регуляторы громкости, баланса каналов и регулировки тембра. Заметим, что фирмы предусматривают возможность исключения из сигнального тракта тембровых изменений и балансировки каналов, активизируя функцию типа Source Direct или Pure Direct. Такой сокращенный и упрощенный тракт должен обеспечить более качественное и точное звучание. Но вернемся к первому элементу — регулятору громкости (по-английски Volume), который является основным органом управления усилителя. В его задачу не входит, как многие ошибочно считают, увеличивать громкость — он должен громкость снижать. Если бы не было возможности ограничивать уровень сигнала, то на выход он поступал бы в усиленном виде, что привело бы к фатальному исходу как наши органы слуха, так и акустические системы. В дешевых массовых моделях часто используются электронные регуляторы громкости на основе специальных интегральных схем, которыми можно управлять с пульта ДУ.
Более качественными являются дискретные электронные регуляторы усиления, которыми оснащаются даже некоторые модели класса High End. Однако чаще всего громкость регулируется классическим способом — при помощи старого доброго потенциометра. Впрочем, потенциометры бывают разными, их параметры отличаются друг от друга, иногда довольно существенно. В обычных усилителях и моделях средней ценовой категории используются, как правило, относительно недорогие типы потенциометров. Более совершенными, помещенными в отдельный футляр потенциометрами с отличной синхронизацией и повышенной стойкостью против окисления и коррозии контактных поверхностей оснащаются, как правило, дорогие модели усилителей. Помимо электронных регуляторов применяются также поворотные аттенюаторы, оснащенные целым каскадом элементов для регулировки ослабления сигнала. Грамотный подбор величин сопротивлений и ослаблений позволяет достичь не только идеального совпадения каналов, но и постоянной величины выходного сопротивления при любом положении поворотного переключателя. Разумеется, чем больше положений переключателя, тем более точной будет регулировка. Минимальным количеством является шестнадцать положений. В промежуточных положениях отдельные выводы должны быть закорочены, в противном случае при переключении громкости раздавались бы неприятные громкие щелчки. Поскольку, как отмечалось выше, основная задача регулятора громкости ослабить сигнал, то понятно появление пассивных предусилителей, которые содержат только селектор входов и регулятор громкости. Несколько более дешевое, но все же качественное решение предлагается путем использования реле, которые в парных комбинациях подключаются к аналогово-цифровому преобразователю. Каждое реле включается в тракт как элемент, служащий для ослабления; комбинация этих реле обеспечивает плавную регулировку уровня сигнала.
После установки коррекции и желаемого уровня сигнала он попадает в усилитель мощности. Неотъемлемым атрибутом транзисторного усилителя мощности является радиатор, на котором устанавливаются мощные транзисторы или гибридные микросхемы выходного каскада. Если величины тока покоя достаточно высоки (так происходит, например, при работе в классе А), то транзисторы выделяют большие количества тепла. Экстремальные условия (жаркое лето, неправильная установка, долговременная высокая нагрузка) не способствуют улучшению работы усилителя, однако радиатору усилителя “достается” больше других. Поэтому высококачественный усилитель должен быть оснащен не менее высококачественным радиатором. Надлежащее охлаждение и циркуляция воздуха являются одним из основных условий, необходимых для хорошей работы усилителя.
Из усилителя мощности сигнал попадает, как правило, через защитные реле (не все фирмы их используют) на выходные разъемы для подключения акустических систем. Некоторые стереофонические усилители обеспечивают подключение одной пары громкоговорителей, другие — две пары, а AV-усилители и ресиверы — до семи акустических систем.
Выбор усилителя
Абсолютная симметрия в конструкции блока двухканальных усилителей мощности — залог идентичности каналов и минимальной длины силовых токопроводов
Попытаемся обобщить все то, что является наиболее существенным при выборе самостоятельного усилителя с точки зрения пользователей с требованиями выше средних. При этом предполагается, что пользователь уже принял хотя бы приблизительное решение, к чему он подключит усилитель, что именно он будет в основном слушать, что ему известны акустические свойства комнаты, в которой будут установлены акустические системы, и что он помнит, какую сумму он решил вложить в покупку. Решающими для нас будут качество звучания, технические параметры и конструкция усилителя, а все остальные его качества будем считать второстепенными.
В идеальном случае у нас уже имеются акустические системы, отвечающие нашим требованиям, и мы можем взять на время несколько выбранных усилителей, подключить их к громкоговорителям, и в домашних условиях, не торопясь, сосредоточенно выбрать наиболее подходящий.
Но поскольку такая возможность маловероятна и недоступна каждому, большинству из нас не останется ничего иного, как перечитывать результаты тестирований, критически изучать рекламные материалы фирм-изготовителей, обходить массу магазинов и салонов, слушать, выбирать, снова слушать и т.д.
На что же следует обращать внимание при выьоре усилителя? Как правило, первыми данными, которые интересуют покупателя, являются величина выходной мощности, отношение сигнал/шум и частотная характеристика. Из всего этого наибольший интерес для нас представляет выходная мощность. Следует выяснить, по какой методике она измерялась, на каком сопротивлении, относится ли эта мощность к кратковременной динамической, музыкальной или синусоидальной. Не следует забывать и о том, какова при этом была величина искажений. Для достижения высококачественного звучания, как правило, рекомендуется мощность от 100 ватт на каждый канал. Хотя на самом деле все определяется чувствительностью акустики, для которой приводится рекомендуемая мощность усилителя. Вторым параметром является отношение сигнал/шум, которое сообщает, какой шум будет издавать усилитель после его подключения к акустическим системам. Существует правило: чем больше величина этого соотношения, тем лучше. Но осторожно, само по себе число может сбить с толку! Его величина зависит от того, измерялось ли это соотношение при короткозамкнутом входе, был ли при этом регулятор громкости в минимальном или в каком-либо другом положении, был ли при этом под нагрузкой выход усилителя и т.д. Третьим параметром, на который обращают внимание, является частотная характеристика. Впрочем, в настоящее время он постепенно теряет смысл, поскольку в области от 20 Гц до 20 кГц не представляет большого труда достичь уравновешенную кривую. Важным является тот факт, чтобы форма этой кривой была одинаковой при малых и больших мощностях. Намного более важным параметром, который, как это ни парадоксально, интересует лишь немногих, является скорость нарастания выходного сигнала, которая свидетельствует о динамических качествах усилителя. Покупатель может также поинтересоваться величиной нелинейных искажений, а также интермодуляционных и переходных. Коэффициент нелинейных (в англоязычных источниках — гармонических) искажений в современных усилителях бывает настолько низким, что при прослушивании им вполне можно пренебречь. Значения же коэффициента интермодуляционных и тем более переходных искажений фирмы приводят очень редко. И их наличие в сопроводительных документах является косвенным подтверждением серьезности подхода фирмы к своим изделиям. Однако влияние искажений нельзя переоценивать. Высокая верность предполагает максимальное приближение к оригиналу, но, например, так называемые благозвучные искажения имеют многочисленных сторонников. Нельзя возражать против хорошего звучания, которое радует человека и помогает ему понять содержание воспроизводимой музыки.
Подключение акустики
Для согласования усилителя с акустическими системами, а тем самым и для оптимальной эксплуатации всего комплекта аппаратуры, необходимо соблюсти несколько правил. Прежде всего усилитель должен обладать соответствующей мощностью, которая должна быть не меньше рекомендуемой для акустики, но и не больше. В первом случае не удастся раскачать акустику до требуемой громкости, а во втором возможно ее физическое разрушение. Рекомендуется, чтобы акустические системы обладали более высокой номинальной мощностью, чем максимальная мощность усилителя. Еще одним условием оптимальной эксплуатации усилителя является соответствие импеданса громкоговорителей рекомендованному. По этой причине общее сопротивление акустических систем должно быть не меньше указанного рядом с клеммами для подключения громкоговорителей. Даже в высококачественных усилителях иногда возникает проблема, связанная c тем, что рекомендуемая величина сопротивления составляет 8 Ом для одной пары громкоговорителей. Если их владелец захочет последовательно подключить две пары, то сопротивление должно составить 16 Ом, что значительно сужает выбор акустики. Более благоприятной является ситуация, когда усилитель обеспечивает возможность подключения нагрузки до 2 Ом. При выборе акустических систем отпадают заботы, связанные с величиной их сопротивления, поскольку даже самые низкие величины в частотной характеристике сопротивления, как правило, не опускаются ниже 2 Ом. В настоящее время наиболее часто встречаются акустические системы с сопротивлением 8, 6 или 4 Ом. Если есть подозрение, что у усилителя возникнут проблемы, связанные с низким сопротивлением нагрузки, то следует выбрать 8-омную акустику. Поскольку рынок предлагает большое количество таких систем, проблем с выбором не будет.
Превышение мощности и плохая работа защиты могут вызвать перегорание силовых транзисторов или повреждение источника питания. Но даже при правильном согласовании подобные результаты могут быть вызваны резким падением сопротивления громкоговорителей на какой-нибудь частоте (наибольший риск представляют частоты собственного резонанса низкочастотной головки). Предпочтение следует отдавать громкоговорителям с минимальным изменением импеданса во всем рабочем диапазоне частот.
На практике самым главным условием является согласование собственного вкуса и личной симпатии с качеством усилителя, характеристикой акустических систем и акустическими условиями помещения для прослушивания. Если эти аспекты соблюдены, то это позволит достичь столь желанного чувства удовлетворения. Время, затраченное на поиски “своей” системы, явится временем поиска нашей “правды”. Так что не будем слушать советы типа “Купи это и только это!” То, что отвечает нашим представлениям о хорошем звучании, каждый должен выбрать сам. Поэтому желаем всем много терпения, ясной головы и чистого сигнального тракта!