Предлагаю ознакомиться с ещё одной статьёй раскрывающей философию Нельсона Пасса.
Практика - отдельные темы, а здесь его взгляд на общие, но крайне интересные вопросы.
Для удобства, а может и зря и это раздражает, я выделил некоторые ключевые, как мне кажется, моменты, в частности в первый раз увидел здесь что одним людям больше нравится 2-ая гармоника, а другим - 3-я и какая для какой музыки "лучше".
Лучше было бы вообще без гармоник, но похоже, средство каким выжигают все гармоники - это глубочайшая обратная связь и гигантское петлевое усиление, как хлорка, уничтожает не только микробов (искажения), но и человека (натуральность звука) который выпьет такое лекарство в лошадиной дозе. Получим 0,000000% искажений и мёртвую музыку.
По меньшей мере, такое вполне возможно, но это мои страхи, а вот что пишет Нельсон Пасс.
Звук, искажения и обратная связь
Нельсон Пасс
Введение
Нельсон Пасс
Введение
Аудиофилы, похоже, наслаждаются мелкими спорами – винил против компакт-дисков, лампы против твердотельных устройств, конденсаторы, провода, магические точки... и отрицательная обратная связь.
С одной стороны, позиция заключается в том, что «обратная связь делает усилители идеальными». С другой – «обратная связь – это зловещий суккуб, высасывающий жизнь из музыки, оставляя лишь сухую оболочку, лишенную души».
Первую точку зрения обычно придерживаются так называемые «объективисты», тонко разбирающиеся в теории и измерениях электроники. Их противоположностью являются «субъективисты», которые делают акцент на впечатлении от прослушивания и часто владеют ламповыми усилителями. Иногда звучат обвинения в том, что объективисты не слышат, и, наоборот, что субъективисты слышат то, чего нет. Поскольку мы живем в индустрии развлечений, надеюсь, все хорошо проводят время.
Обратная связь — очень обширная тема, и я ограничусь лишь несколькими простыми пояснениями и обсуждением явлений, связанных со сложностью искажений, создаваемых нелинейными каскадами усиления, отрицательной обратной связью и аудиосигналом. По отдельности эти явления кажутся достаточно простыми, но при взаимодействии они создают искажения, несоразмерные ожидаемым, согласно спецификациям, приведенным в брошюрах по продукту.
Существуют линейные и нелинейные формы искажений. Линейные искажения влияют на амплитуду и фазу аудиосигналов, но не отображаются анализаторами гармонических искажений как добавленные частотные компоненты, которых изначально не было. Регуляторы тембра — хороший пример схем с линейными искажениями.
Нелинейные искажения — это искажения, которые добавляют новые частотные компоненты к исходному сигналу, либо в виде гармонических кратных исходных частот, либо в виде боковых полос, возникающих в результате нелинейного взаимодействия исходных частот. Нелинейности часто намеренно создаются в самих музыкальных инструментах, но они нежелательны при воспроизведении музыки. Мы поговорим о нелинейных искажениях.
Нелинейные искажения – это искажения, добавляющие к исходному сигналу новые частотные компоненты, либо в виде гармонических кратностей исходных частот, либо в виде боковых полос, возникающих в результате нелинейного взаимодействия исходных частот. Нелинейность часто намеренно создается в самих музыкальных инструментах, но при воспроизведении музыки она нежелательна. Мы будем говорить о нелинейных искажениях.
Как сказал мистер Спок: «Инструменты измеряют только то, для чего они предназначены». Учитывая жалобы аудиофилов на звучание усилителей с высокой обратной связью, целесообразно рассмотреть нелинейные искажения более подробно, чем это возможно с помощью одного числа.
Нелинейные искажения
Для начала немного предыстории. Когда мы говорим об обратной связи и нелинейных искажениях, мы неизбежно говорим об усилительных устройствах – лампах, биполярных транзисторах, полевых транзисторах с диодами типа Jfet и МОП-транзисторах, а когда мы говорим об усилительных устройствах, мы обычно вспоминаем нелинейные искажения. Вот основные элементы, показанные на простых схемах:
Все усилители имеют недостатки усиления. Вы можете измерить их коэффициент усиления сразу после установки, и для каждого теста значение будет разным. Если взять отдельное устройство и измерить коэффициент усиления, вы обнаружите, что он меняется в зависимости от тока, протекающего через него. Он также меняется в зависимости от напряжения на устройстве и температуры устройства. Все три фактора создают нелинейные искажения.
Искажения возникают, когда коэффициент усиления не постоянен. Если бы устройства имели идеально постоянный коэффициент усиления при любых условиях, они бы не имели искажений. Нас больше всего интересует, что происходит с аудиосигналом при его усилении устройством, коэффициент усиления которого меняется в зависимости от сигнала. Сигнал поступает на вход и выходит с другой формой. Коэффициент усиления не идеально прямой — он изогнутый, или нелинейный.
Важный момент, касающийся искажений: пропуская сигнал через устройство, которое даже немного нелинейно, вы изменяете его навсегда. Вы можете использовать различные методы для уменьшения искажений постфактум, но вернуть их обратно невозможно.
Проблема значительно усугубляется, когда сложные сигналы, состоящие из множества частот, проходят через усилитель одновременно, или когда простой сигнал проходит через несколько нелинейных каскадов усиления последовательно. Конечно, можно сделать и то, и другое, и, как мы увидим позже, это может привести к настоящему шторму искажений.
Гармоники
Когда вы усиливаете один тон (синусоиду), усилитель искажает его, и выходной сигнал содержит исходный тон плюс ряд гармонических тонов, кратных исходной частоте. Если исходный тон равен 1 кГц, то выходной сигнал будет содержать 1 кГц плюс, возможно, около 2 кГц (вторая гармоника), 3 кГц (третья гармоника), 4 кГц (четвёртая гармоника) и так далее.
Звуковой сигнал чередует положительные и отрицательные значения амплитуды. Если нелинейность симметрична относительно горизонтальной оси, то гармоники будут нечётными – третья, пятая, седьмая и так далее. Если передаточная характеристика изогнута несимметрично, то гармоники будут чётными – вторая, четвёртая, шестая и так далее. На рисунке 2 показана синусоида с высоким содержанием второй гармоники. Этот вид искажений часто наблюдается в перегруженных лампах, работающих в однотактном режиме класса A.
Передаточная характеристика усилителя может быть выражена полиномом: V = a + bX + cX2 + dX3... Член «a» — это компонент смещения постоянной составляющей, отражающий характеристику без искажений, которая представляла бы собой прямую линию. c, d и т. д. — коэффициенты степенного ряда, представляющие «изогнутые» нелинейные участки кривой.
Аналогично, форма напряжения может быть выражена как сумма гармонических частот, каждая из которых имеет свои амплитудные и фазовые коэффициенты. Эти два подхода хорошо согласуются друг с другом.
Гармонические искажения и звук
Многие аудиофилы считают, что вторая гармоника предпочтительнее третьей. Конечно, она проще по характеру, и общепризнано, что порядки выше третьего более слышимы и менее музыкальны. Однако, выбирая между усилителем, в характеристике которого преобладает вторая гармоника, и третьей, значительная часть слушателей выбирает третью.
За последние 35 лет я собрал множество примеров простых усилителей, работающих на второй и третьей гармониках. Под «типами» я подразумеваю, что в них использовались простые схемы класса А, называемые «однотактными» и «двухтактными», и поэтому в характере искажений, как правило, присутствовала вторая гармоника, а не третья, но искажения не были намеренно созданы.
Как ни странно, предпочтения распределяются примерно следующим образом: примерно треть клиентов предпочитают вторую гармонику, треть — третью, а остальные не любят ни одну, ни обе. Известно также, что клиенты меняют своё мнение со временем.
Однако проблема частично затуманивается тем фактом, что усилители с третьей гармоникой обычно имеют меньший общий уровень искажений. Третья гармоника обычно появляется с отрицательным коэффициентом, что приводит к тому, что мы называем «компрессией» — пример на рисунке 3. Стоит отметить, что нечётные порядки нелинейности также могут изменять амплитуду основного тона — то, что анализатор искажений обычно не отображает.
Аудиофилов обвиняют в использовании искажений второй или третьей гармоники в качестве регуляторов тембра для преднамеренного изменения звука. Полагаю, есть люди, которым это нравится, но не думаю, что это обычно так. По причинам, которые станут понятнее, когда мы поговорим об интермодуляционных искажениях, высокие уровни любых гармоник становятся проблемой в музыкальном материале с несколькими инструментами, и аргумент о том, что 2-я или 3-я гармоники добавляют «музыкальности», не выдерживают критики.
Звук схем 2-го порядка часто хвалят как «тёплый», а схемы 3-го порядка, в сравнении с ними, часто отмечают за «динамический контраст». Усилители 2-го порядка, по-видимому, особенно хорошо справляются с простым музыкальным материалом, а 3-го порядка, как правило, лучше справляются с более сложной музыкой. На рисунке 4 показана кривая искажений двух каскадов усилителей мощности, работающих без обратной связи: синий — однотактный усилитель класса A, красный — двухтактный усилитель класса A.
Тем не менее, независимо от того, предпочитаете ли вы усилители типа 2-го или 3-го порядка, давайте договоримся, что мы хотим минимизировать общий уровень искажений. И предполагая, что нам приходится мириться с некоторыми искажениями, давайте договоримся, что мы предпочитаем 2-ю и 3-ю гармонические составляющим 4-й, 5-й, 6-й, 7-й и так далее.
Чтобы получить гармонический характер низших порядков, нам нужны более плавные «изгибы» на передаточной характеристике устройства. Обычно это означает работу в классе A. На рисунке 5 показано сравнение гармоник между той же двухтактной схемой, работающей в классе A, и классом B с сигналом 500 Гц. В случае работы в классе A мы жертвуем энергоэффективностью ради более плавной кривой передачи, при этом обе половины двухтактного усилительного каскада плавно распределяют нагрузку и постоянно проводят ток друг другу. В классе B нет моментов, когда обе половины делят нагрузку. Популярная компромиссная конструкция, класс AB, сглаживает переход между двумя половинами, распределяя нагрузку на определённом участке кривой передачи.
Если вы видите кривую, на которой уровень искажений растет с уменьшением выходного сигнала, это означает искажения перехода, вызванные зазором между двумя двухтактными усилительными элементами, а это подразумевает наличие гармоник высокого порядка.
Примеры на рисунке 4 показывают плавное снижение искажений с ростом мощности в усилителях класса A, на рисунке 6 сравниваются двухтактный усилитель класса A (красный) и усилитель класса B (синий).
Интермодуляционные искажения
Если вам нравится слушать простую музыку, исполняемую без аккомпанемента, цифры гармонических искажений могут быть для вас вполне релевантными, но при прослушивании разной музыки вы обнаружите, что интермодуляционные искажения становятся настоящей проблемой.
Гармонические искажения тесно связаны с интермодуляционными искажениями, поскольку оба являются результатом одних и тех же нелинейных искажений усилителя, но интермодуляционные искажения отражают то, что происходит при использовании более одного тона, и это характерно для большинства музыкальных произведений. В случае одного тона гармоники низшего порядка, такие как 2-я и 3-я, не так различимы, и в реальной жизни большинство инструментов (включая вокальные) и так содержат довольно богатый набор этих гармоник. Они считаются музыкальными.
Но когда два тона проходят через нелинейное устройство, амплитуда каждого из них изменяется, или модулируется другим тоном. В результате возникает ряд «боковых полос» – дополнительных тонов, возникающих на сумме и разности исходных частот. Эти дополнительные тоны, как правило, не связаны с музыкой.
Хуже того, настоящая музыка состоит из множества тонов, проходящих через нелинейное усилительное устройство, и каждый из них взаимодействует друг с другом. Результат будет очень сложным и совершенно немузыкальным.
На рисунке 7 показана форма волны искажения, возникающая при прохождении двух тонов через каскад усиления с коэффициентами нелинейности 2-го и 3-го порядков, равными 1%. Оба тона имеют одинаковую амплитуду и находятся на расстоянии одной октавы друг от друга. Пики сигнала составляют около 1,8 вольта, а пики искажения – около 0,09 вольта, или 5%, а отношение среднеквадратичного искажения к среднеквадратичному сигналу составляет около 4%.
В чём дело?
Интермодуляционные искажения — это слон на танцполе.
Зачастую интермодуляционные искажения просто формируют сложный «шумовой фон», который маскирует музыкальные детали. На низких уровнях они лишают музыку жизни, делают её неинтересной и даже раздражающей. Это не так заметно в очень простой музыке, но выделяется в оркестровом материале, как будто инструменты окутаны вуалью.
На высоких уровнях искажений звук просто превращается в грязь, и мы уменьшаем его. Или выключаем.
Отрицательная обратная связь
В 1927 году Гарольд Блэк изобрел усилитель с отрицательной обратной связью, в котором выходной сигнал аналоговой схемы усиления сравнивается с входным для улучшения характеристик. Существует множество способов добиться этого эффекта, все из которых связаны с отрицательным усилением разности между входным и выходным сигналами для минимизации этой разницы.
Простейший вариант можно собрать из трёхвыводного устройства, подобного показанному на рисунке 1, в схеме, которая выглядит следующим образом:
Если убрать R2, чтобы обратная связь отсутствовала, и предположить, что МОП-транзистор обладает высоким коэффициентом усиления, то коэффициент усиления без обратной связи будет примерно равен отношению R3/R4. Нетрудно сделать R3/R4 довольно большим, что даст коэффициент усиления без обратной связи, возможно, в 10 раз (20 дБ) или даже в 100 раз (40 дБ) больше входного напряжения. Типичным примером 100-кратного усиления будет R3 с сопротивлением 1 кОм и R4 с сопротивлением 10 Ом.
Если вернуть R2 в схему, коэффициент усиления уменьшится. Если отношение R2/R1 намного меньше коэффициента усиления без обратной связи, а значение R2 намного больше R3, то коэффициент усиления всего каскада становится довольно близким к R2/R1. Примерами могут служить R2 на 100 кОм и R1 на 31,6 кОм, что обеспечивает выходной коэффициент усиления примерно в 3,16 раза (10 дБ).
Проще говоря, разница между двумя значениями коэффициента усиления считается величиной обратной связи: если коэффициент усиления без обратной связи составляет 40 дБ, а коэффициент усиления с обратной связью — 10 дБ, то величина обратной связи составляет 30 дБ. В реальных аудиосхемах величина обратной связи может варьироваться от 0 дБ (совсем отсутствует) до 100 дБ (100 000 раз). Иногда это не требуется, но типичный операционный усилитель на интегральной схеме имеет именно такой коэффициент усиления с открытой петлей, так что всё в порядке.
Отрицательная обратная связь хорошо снижает все виды искажений, как линейных, так и нелинейных. Концепция довольно проста: вы последовательно подключаете один или несколько каскадов усиления, чтобы получить коэффициент усиления, равный желаемому итоговому значению усиления плюс величина обратной связи, которую вы планируете использовать.
Когда значение обратной связи превышает примерно 20 дБ, вы обнаруживаете, что все измерения улучшаются на величину дополнительной обратной связи. Если искажения усилителя без обратной связи составляют 5%, то 60 дБ обратной связи должны уменьшить их примерно до 0,005%. Довольно легко создать дополнительные каскады или использовать существующие для увеличения коэффициента усиления без обратной связи, так почему бы не использовать 80 дБ для 0,0005%?
Звучит как нечто совершенно бесплатное, не так ли?
Не совсем. Мне кажется, это больше похоже на кредитную карту — удобную при разумном использовании, но при неправильном использовании влекущую за собой проценты и штрафы.
Отрицательная обратная связь и гармоники высшего порядка
Много лет назад Питер Баксандалл отметил, что, хотя отрицательная обратная связь и уменьшает искажения, она создаёт дополнительные гармоники более высокого порядка. Другие учёные подтвердили это явление экспериментально и с помощью компьютерного моделирования. Я нашёл в интернете рисунок 10, приписываемый Джону Линсли-Худу:
Отрицательная петля обратной связи создаёт гармоники искажений более высокого порядка, и, похоже, подразумевается, что вам, возможно, стоит использовать много обратной связи, если вы вообще планируете её использовать. Некоторые разработчики рассматривают это именно так, другие — как экономно использующие обратную связь, а некоторые вообще отказываются от неё.
Я провёл свой собственный вариант эксперимента, используя мощный МОП-транзистор в однотактном каскаде усиления класса A, выдающий 1 Вт на нагрузку 8 Ом:
Таким образом, совершенно очевидно, что, снижая общий уровень искажений, отрицательная обратная связь увеличивает сложность искажений.
Подождите! Это ещё не всё...
Мы видели, что сложность искажений возникает при прохождении простого сигнала через каскад усиления с нелинейностями высокого порядка, как на примере спектра искажений выходного каскада класса A по сравнению с классом B (рисунок 5).
Мы также видели, что сложность искажений возникает при прохождении сложного сигнала через каскад усиления с относительно простыми нелинейностями низкого порядка (рисунок 8).
И наконец, мы видели, что сложность искажений увеличивается при использовании отрицательной обратной связи (рисунок 11).
Мне кажется ещё одним источником сложности искажений — это прохождение сигнала через последовательные каскады усиления. Это довольно распространено, поскольку часто используется несколько каскадов усилителя для получения достаточного коэффициента усиления без обратной связи, обеспечивающего достаточную обратную связь.
Как ни парадоксально, можно представить себе примеры пирамидальных схем с обратной связью, в которых добавляются дополнительные каскады усиления для создания большей обратной связи, частично компенсирующей искажения, создаваемые дополнительным каскадом усиления.
На рисунке 12 показан результат каскадного соединения нескольких каскадов. Здесь представлены четыре каскада, каждый из которых имеет коэффициент усиления 2-й и 3-й гармоник 1%, усиливающих один тон:
Вы помните пример сложной интермодуляции на рисунке 8, в котором семь тонов были пропущены через один каскад. На рисунке 13 показано, как они выглядят после прохождения через четыре каскада усиления, показанных на рисунке 12, с одинаковыми коэффициентами 1% для 2-й и 3-й гармоник:
Хм. Искажения только усиливаются — может потребоваться серьёзная обратная связь, чтобы снизить их до приемлемого уровня. Среднеквадратичное значение этих искажений гораздо ниже пиковых — порядка 100%. Искажения примерно такие же, как и в исходном сигнале.
Итак, теперь у нас есть четыре сценария, в которых искажения становятся более сложными, и все они могут быть реализованы с помощью обычного аудиоусилителя. Мы видели, что эти сложные искажения могут быть сконцентрированы в интенсивные пики, гораздо более мощные, чем средние значения, которые мы можем измерить вольтметром.
Заключение
Время летит, и многое ещё предстоит узнать. Я толком не рассказал, что эти картинки значат для аудиофила, возможно, не то, что имел в виду Сраджан, когда просил об этой статье.
На самом деле, помимо предположения о предпочтении низких уровней простых форм искажений, мы вообще не обсуждали слушателя. Тем не менее, я пытаюсь донести мысль, которая тесно связана с очевидным разрывом между субъективным восприятием и простыми измерениями искажений.
Мы видели, что нелинейные искажения становятся больше и сложнее в зависимости от нелинейных характеристик каскадов, количества каскадов и количества спектральных элементов в музыке.
Отрицательная обратная связь может снизить общее количество искажений, но сама по себе добавляет новые компоненты и побуждает разработчика использовать больше каскадов усиления в поисках лучших показателей, что сопровождается большими проблемами со стабильностью частоты, вызванной обратной связью.
Результирующая сложность создаёт искажения, непохожие на простые гармоники, связанные с музыкальными инструментами. Мы видим, что эти сложные волны могут собираться, создавая периодические цунами искажений, достигая пиков при значениях, значительно превышающих значения, предусмотренные спецификациями искажений.
Если вы хотите, чтобы пиковые искажения схемы на рисунке 13 оставались ниже 0,1% при сложном сигнале, вам необходимо уменьшить их примерно в 3000 раз. 70 дБ обратной связи хватило бы для этого, но это кажется слишком много.
Напротив, похоже, что если заставить один каскад работать на 0,01% второй гармоники с одним тоном без обратной связи, вы также сможете достичь пика в 0,1% в комплексном тесте интермодуляции.
Мне нравится думать, что последний вариант будет звучать лучше.
© Nelson Pass, 2008
