Феномен «транзисторного» звучания

Казалось бы, транзисторы в схемы на них (в том числе интегральные) дали все, что только было нужно для создания Hi-Fi устройств. Нелинейные искажения усили­телей за счет глубоких отрицательных связей были доведе­ны до таких величин (сотые и тысячные доли процента), что их стало трудно измерить приборами - измерителями нелинейных искажений. Частотная характеристика уси­лителей перекрыла на много октав (а то и декад) звуковой диапазон, фон и помехи были сведены до пренебрежимо малых величин и т. д. Выходное сопротивление усилите­лей было снижено до сотых и даже тысячных долей Ома, что обеспечивало эффективное демпфирование НЧ-динамиков акустических систем. И все же, как ни бились специалисты, распространен­ные усилители на массовых биполярных транзисторах явно обладали феноменом какого-то «транзисторного» звучания. Считается, что этот феномен был впервые об­наружен известным европейским инженером-электронщиком M Отало. Что это такое, толком никто сказать не сможет, но   считается, что звук у транзисторных усилителей получается более «жестким», менее «прозрачным» и менее сочным», как у ламповых усилителей. Это все то, что невозможно измерить ни в процентах, ни в децибелах, В чем-то еще! По крайней мере сейчас. Впрочем, сам М. Отало вовсе не считал, что дело в самих  транзисторах. Вину за этот феномен он возлагал на умы, которые не учитывали специфических особенностей транзисторов - прежде всего их существенно более улучшенные вольтамперные характеристики, чем у ламп, повод для недовольства транзисторами возник и дал  результаты.

«Искушенные слушатели, музыканты, звукорежиссеры уже давно отмечают разницу в звучании транзисторных и ламповых усилителей НЧ, хотя по всем нормируемым параметрам первые обычно не хуже, а часто значительно лучше вторых. В зависимости от качества усилителей и, естественно, остальных элементов звуковоспроизводящего тракта „транзисторное“ звучание проявляется в виде искажения естественных тембров музыкальных инструментов, характерной «жесткости» и недостаточной «прозрачности» звука, специфического воспроизведения высокочастотных составляющих спектра усиливаемого сигнала, создающего ощущение, что они проходят через тракт с трудом.

Исследования, проведенные с целью выявления причин «транзисторного» звучания показали, что этот эффект у различных усилителей даже одного класса проявляется далеко не одинаково. Например, наиболее распространенные фабричные усилители НЧ высшего класса по степени проявления «транзисторного» звучания эксперты располагали обычно в следующем порядке: «Одиссей-001-стерео», «Радиотехника-020-стерео», «Бриг-001-стерео». Сравнение параметров этих устройств привело к заключению, что эффект «транзисторного» звучания, по-видимому, связан с уровнем нелинейных искажений, поскольку все остальные технические характеристики названных усилителей НЧ примерно одинаковы. Это предположение подтверждают и результаты исследований зарубежных специалистов [1, 2, 3], указывающих на существенное влияние нелинейности амплитудной характеристики, оцениваемой коэффициентом гармоник, на качество звучания. При этом отмечается особо неблагоприятное влияние не столько гармонических, сколько комбинационных составляющих, которые возникают именно из-за нелинейности амплитудной характеристики при одновременном усилении сигналов различных частот . Авторами статьи были исследованы спектры выходных сигналов, близких по параметрам, лампового профессионального усилителя ЕА 057 (производства ВНР) и указанных выше транзисторных усилителей высшего класса. Для измерений использовался спектрометр 2112 датской фирмы «Брюль и Кьер». Комбинационные составляющие исследовались в соответствии с рекомендациями по измерению так называемых TIM-искажений (TranslentIntermodulationDistortion) при подаче на вход усилителя сигналов одинаковой амплитуды частотой 3,18 и 15 кГц, обеспечивающих выходную мощность, на 3 дБ меньшую номинальной. Результаты испытаний подтвердили известное положение, что гармонических составляющих в спектре сигнала транзисторных усилителей значительно больше (вплоть до 11-й гармоники), чем у ламповых (не более 5 гармоник), а это само по себе уже способно повлиять на субъективное восприятие звучания

Более широким и, что не менее важно, более плотным оказался у транзисторных усилителей спектр комбинационных составляющих. Объясняется это появлением в спектре продуктов взаимодействия небольших по амплитуде высших гармоник с  «мощными» составляющих сигнала и низшими гармониками. Это отличия в спектрах гармонических и комбинационных составляющих и являются, на наш взгляд, причиной «транзисторного» звучания. Из сказанного следует очевидный вывод о том, что нормы на коэффициент гармоник, установленные для ламповых усилителей, нельзя применять к транзисторным усилителям – у последних он должен быть значительно меньше. Учитывая трудность направленного воздействия на ширину спектра гармонических составляющих, единственным методом борьбы с  «транзисторным» звучанием в настоящее время следует, по-видимому, считать снижение коэффициента гармоник до такого значения, при котором влияние спектрального состава искаженного сигнала субъективно не воспринимается. При этом, естественно, необходима и методика оценки нелинейных искажений, позволяющая однозначно определить предел, ниже которого «транзисторное звучание» не проявляется.

Упомянутый выше метод оценки качества усилителей с помощью TIM-искажений, не отличающийся, по сути, от хорошо известного многотонального (спектрального) метода, вряд ли можно считать приемлемым в широкой практике, так как он требует нового комплекса измерительной аппаратуры и, главное, способа однозначного сопоставления результатов с полученными при испытаниях обычным однотональным методом. К тому же, как показано в [6], однотональный метод вполне применим для оценки нелинейности любой системы при отсутствии спада АЧХ за пределами рабочего диапазона частот, что в высококачественных усилителях легко осуществимо. Иными словами, причин, по которым нельзя пользоваться однотональным методом, на наш взгляд, нет, и результаты измерений, приводимые ниже, получены именно этим методом. Из-за свойственной транзисторам нелинейности построить на них высококачественный усилитель без принятия специальных мер по снижению нелинейных искажений принципиально невозможно. Наибольший эффект дает, как известно, глубокая ООС, поэтому рекомендации по ограничению ее глубины при отсутствии других действенных мер, направленных на уменьшение искажений, нам представляются неприемлемыми. Во избежание неприятностей, с которыми сталкиваются разработчики при использовании глубоких общих ООС , целесообразно уменьшать число усилительных каскадов, применять компенсационные устройства для подавления четных гармоник в отдельных каскадах, вводить местные ООС. 

Близкие к рассмотренным принципы были положены в основу усилителя мощности, разработанного и собранного В. Маршаллом Личем [8]. Этот усилитель субъективно сравнивался по качеству работы с усилителями мощности трех ламповых и одного транзисторного усилителей, параметры которых приведены в таблице.

При испытаниях усилители включались по структурной схеме, показанной на рис.1. Здесь U1 – студийный магнитофон. Z1 – многополосный регулятор тембра (эквалайзер), А1 и А2 – сравниваемые по качеству звучания усилители. Чтобы не нарушить чистоту эксперимента наличием элементов частотного разделения, которые, как известно, вносят фазовые искажения, способные повлиять на качество звучания стереофонических фонограмм, были использованы однополосные громкоговорители на основе динамических головок «Аксиом-301» фирмы «Гудменс», отличающиеся весьма малыми нелинейными искажениями в диапазоне частот 30-16 000 Гц. Источниками программ служили фонограммы, записанные на студийном оборудовании на ленте А4615-6Р при скорости 38,1 см/с, и высококачественные грампластинки, воспроизводимые головкой звукоснимателя MS-30 фирмы «Ортофон», установленной в проигрывателе XL-15550 фирмы «Пионер». Для исключения перегрузки уровень сигнала на входах усилителей подбирался таким, чтобы при пиках сигнала выходная мощность всегда была на 3дБ меньше номинальной.

В ходе прослушивания установлено явное превосходство усилителя №  1 над усилителями №  2 и 3 в чистоте и прозрачности передачи составляющих высших частот. Кроме того, для получения примерно одинаково сбалансированного (по тембру) звучания при работе усилителя №   1 частотная характеристика эквалайзера устанавливалась горизонтальной, а при работе усилителя №   2 требовался подъем на + 10 дБ в интервале частот от 1 до 16 кГц. Усилитель №  3 уступал по качеству звучания всем остальным. Что касается ламповых усилителей №  4 и 5, то эксперты пришли к единому мнению: не был установлен лучший из них и, что самое главное, не было отмечено их превосходство над транзиторным усилителем №  1. В связи с этим было проведено дополнительное испытание усилителя №  1 на отсутствие «транзисторного» звучания, для чего он включался в тракт двухполосного лампового звуковоспроизводящего комплекса глубокой ЭМОС в обоих каналах и полосой пропускания по звуковому давлению 16…25 000 Гц. Структурная схема включения показана на рис.2. Нагрузка испытуемого усилителя А2 была составлена из резисторов R1 и R2, сопротивления которых подобраны из условия получения коэффициента передачи, равного 1.

В результате проверки были установлено, что включение усилителя №  1 в высококачественный звуковоспроизводящий тракт не приводит к каким-либо «транзисторным» искажениям разнообразных музыкальных программ. С другой стороны, измерения показали, что почти все технические характеристики этого усилителя такие же, как и усилителя №  2, однако его коэффициент гармоник не превышает 0,04% в полосе частот 20…20 000 Гц. Это значение коэффициента в указанной полосе частот является, видимо, тем порогом, за которым исчезает «транзисторное» звучание. Кстати, столь низкий коэффициент гармоник однозначно характеризует высокое качество усилителя НЧ независимо от того, ламповый он или транзисторный.