Основные типы каскадов усилителей мощности

Прежде чем обсуждать параметры конкретных усили­телей мощности, полезно ознакомиться с минимумом теоретических сведений об усилителях мощности. Их основой являются выходные каскады. Они делятся на два основных типа:

• однотактные
• двухтактные

Однотактные усилители проще и реализуются на од­ном активном приборе - лампе или транзисторе. Своим названием они обязаны усилению гармонических сигна­лов за один такт — другими словами, они усиливают как положительный, так и отрицательный периоды такого сигнала.

В последние годы для всего мира характерен устойчивы и интерес к однотактным усилителям. Ими восторгаются, их критикуют, о них спорят. Появилось немало и любительских конструкций. и промышленных моделей, в том числе в самых высоких (до сотен тысяч долларов) ценовых категориях. Можно даже сказать, что мир разделился на два лагеря — ярые поклонники однотактной схемотехники и ее не менее ярые противники. Сегодня в мире зародился устойчивый спрос на бытовую и профессиональную технику «аналогового периода», который одновременно явился и «Золотым Веком» аудио-индустрии вообще. Именно в тот период были достигнуты и покорены все мыслимые вершины в аудио аппаратуре, после чего началась «депрессия», стагнация, затем спад, приведший к так называемому Hi-End. При сравнении современных аппаратов Hi-End с классическими изделиями середины прошлого века в глаза бросается принципиальное отличие: раньше основное внимание уделяли качеству звука, поэтому старая техника звучит более «живо». В сравнении замечаешь, что Hi-End производит музыку хотя и «правильнее», но как-то формально – вроде все звуки есть, но пропадает выразительность. Отличие обусловлено, прежде всего, тем, что «старая» аппаратура сконструирована на лампах. Звучание ламповой аппаратуры субъективно воспринимается как более приятное по сравнению с транзисторной. На первый взгляд это парадокс – человек субъективно оценивает выше устройство, у которого технические характеристики хуже. Но существует четкое научное объяснение этому феномену. Да, современный транзистор вносит меньше искажений в сигнал, чем радиолампа. Но это искажения различного типа. Радиолампа при усилении добавляет в сигнал четные гармоники. Субъективно слух воспринимает звучание, в котором есть четные гармоники, как более «теплое». Для транзистора характерно добавление в сигнал в основном нечетных гармоник. Слух воспринимает звук, обогащенный нечетными гармониками, как более резкий. К тому же транзисторы дают гармоники высокого порядка (7-ю и даже выше), которые раздражают слух. Таким образом, приятное звучание лампового усилителя создается во многом за счет «приправы» в виде дополнительных четных гармоник. И, наконец, лампа выигрывает и с эстетической точки зрения – уж очень красива!.. Самые простые по схемотехнике - однотактные усилители. Но это простота кажущаяся. Собранный из исправных деталей усилитель действительно заработает сразу. Но налаживание потребует усилий, особенно доводка выходного трансформатора. К нему предъявляются противоречивые требования. Для лучшей передачи низких частот требуется увеличивать индуктивность первичной обмотки (и сечение сердечника). А это ведет к увеличению полей рассеяния и паразитной емкости, что ухудшает передачу высоких частот. Секционирование обмоток помогает, но готовых рецептов нет. Кроме того, в однотактных усилителях для уменьшения намагничивания сердечника током анода он выполняется разрезным, с немагнитной прокладкой. Ее толщина и материал влияют на все параметры трансформатора. Есть и другие вредные факторы - входная емкость каскада, например. В общем, широкополосный усилитель - вещь серьезная.

Сторонники однотактных усилителей указывают в первую очередь на их субъективно определяемые качества: особая чуткость, певучесть звучания, "музыкальность" (последнее слово приходится взять в кавычки, так как не всегда понятно, что именно под ним подразумевается). Доводы противников, напротив, основываются на самых что ни на есть объективных данных Это, как правило, невысокая мощность, ограниченный (как снизу, так и сверху) частотный диапазон и высокий уровень измеряемых искажений. Можно, конечно, возразить, что фирма "WAVAC" выпустила 100-ваттный однотактный усилитель; что частотный диапазон усилителя "ML2" фирмы "LAMM Industries" составляет 3-80000 Гц без ООС, но, боюсь, эти аргументы покажутся неубедительными, если вспомнить, какой ценой (30-35 тыс. долларов) это все достигнуто. А потому спустимся с небес на землю и попробуем ответить на вопросы, актуальные для большинства любителей музыки: какая мощность реально необходима для прослушивания в домашних условиях и какой приемлемый уровень нелинейных искажений?

Кажется, было бы естественным сказать, что, дескать, мощности чем больше, тем лучше, а искажений, разумеется, наоборот. Увы, на деле все не так просто, Высокая мощность достигается переводом выходного каскада в класс АВ, что вызывает неизбежный рост искажений всех видов, а заметного, начиная с нескольких процентов, уменьшения этих искажений можно добиться, только прибегнув к глубокой отрицательной обратной связи, про которую до нас было написано достаточно, чтобы понять — качество звучания с ее помощью повысить не удастся, можно лишь заменить одни искажения другими. Банальный пример: 0.003% гармоник при 100 Вт мощности — цифры, типичные даже для относительно дешевого транзисторного усилителя. Так с чем же связано бедное, даже убогое, лишенное всякой эмоциональности звучание большинства таких усилителей?! За все в этом мире приходится платить, и в рамках одной ценовой категории вам неизбежно придется выбирать между мощностью и качеством.

Но все не так уж безнадежно. На вопрос о необходимой мощности убедительно доказал А. М. Лихницкий в своей статье "Мощность", где сказано, что акустическая система чувствительностью 90 дБ в паре с усилителем мощностью 10 Вт способна в комнате площадью 20 м2 создать звуковое давление, необходимое для полноценной передачи forte fortissimo симфонического оркестра. Господа аудиофилы, зачем же больше?

Теперь поговорим об уровне нелинейных искажений. Нам придется обратиться к некоторым выводам психоакустики, утверждающей, в частности. что на слух заметность нелинейных искажений для гармоник разного порядка неодинакова. Большинство исследователей сходятся на том, что 1% второй гармоники не заметят даже профессиональные эксперты, а основная масса испытуемых обнаруживает ее примерно с 1,8-3,5%. К сожалению, не совсем так обстоит дело с гармониками более высокого порядка. Согласно эмпирическим наблюдениям заметность на слух какой-либо гармоники прямо пропорциональна квадрату ее номера. Исходя из этого. 0,1%. скажем, десятой гармоники и 2.5% второй вызовут соизмеримое (хотя и пoразному проявляю­щееся) ухудшение качества звучания. Более того, одни гармоники могут маскировать присутствие других, так, в частности, третья гармоника становится менее заметной при наличии второй. Спектральное сочетание плавно спадающих по уровню гармоник (вторая наибольшая, третья меньше, четвертая еще меньше и т. д.), является для нашего слуха наиболее благозвучным. Поэтому приводимые в паспорте сведения о совокупном уровне нелинейных искажений без указания спектра этих искажений ровным счетом ничего (!) не говорят о качестве звучания. Предположим, мы вас убедили, и мощность в несколько ватт при нескольких процентах гармоник вас устраивает, но почему обязательно при однотактной схеме? Заглянем в старый учебник по ламповой схемотехнике. Там черным по белому прописаны четыре основных преимущества двухтактных ламповых выходных каскадов: — отсутствие постоянного подмагничивания в выходном трансформаторе: — увеличенная (в классе А как минимум вдвое) выходная мощность; — компенсация четных гармоник в выходном сигнале; — пониженная чувствительность к пульсациям питающего напряжения. Учебник был написан около полувека назад. и. хотя законы физики за это Время не изменились, стоит задуматься, к чему мы стремимся, применяя эти законы. При внимательном прочтении знакомых еще со студенческих времен страниц можно заметить, что основным стремлением схемотехники в те годы было получение все более высокой мощности при уменьшении габаритов и веса. Сейчас мы ставим перед собой обратную задачу — получение максимально достижимого качества звучания невзирая на габариты и вес. Так может попробуем пойти обратным путем - от класса В к классу А, от двухтактного каскада к однотактному? Давайте рассмотрим так называемые недостатки однотактных выходных каскадов.

1. Постоянное подмагничивание в выходном трансформаторе. Оно не только уменьшает индуктивность первичной обмотки, но и заставляет железо работать по частному циклу гистерезиса (говоря не вполне технически грамотно, в "чистом классе А"), то есть в режиме с повышенной линейностью, особенно на малых сигналах, без той вроде бы заглаженной, но все-таки присутствующей "ступеньки" при переходе через ноль, что присуща двухтактному режиму работы (может быть, с этим связано главное преимущество однотактников — потрясающая микродинамика?). Уменьшение индуктивности компенсировать достаточно просто — увеличив габариты и вес, мы ведь договорились. что они для нас не главное.

2. Выходная мощность двухтактного каскада, работающего в классе А. равна выходной мощности однотактного каскада, построенного на той же паре ламп, но включенных параллельно. Класс АВ мы здесь не рассматриваем ввиду невозможности его реализации без ООС.

3. Компенсация четных гармоник в двухтактном каскаде в силу указанных выше особенностей слуха приводит чаще всего к субъективному ухудшению качества звучания. Не случайно некоторые разработчики, как у нас, так и за рубежом, пытаясь приблизить звучание своих двухтактных аппаратов к звучанию однотактных путем перекоса в фазоинверторном каскаде, подмешивают к сигналу вторую гармонику. Увы. это не решает всех проблем, связанных с двухтактниками.

4. Повышенная чувствительность однотактных каскадов к пульсациям питающего напряжения преодолевается в результате простого увеличения емкости фильтрующих конденсаторов блока питания, что при их нынешних размерах и стоимости не представляет сложности.

Вот мы и пришли к неожиданному выводу: большинство декларируемых недостатков однотактного усилителя при ближайшем рассмотрении оказываются его достоинствами, остальные же на сегодняшний день легко устранимы за счет увеличения габаритов, веса, и, как следствие, стоимости. Небольшая мощность при больших габаритах, весе и стоимости — насколько это приемлемо, пусть каждый решит для себя сам. Нам же представляется вполне естественным, что усилитель высокого класса, способный в соответствующем тракте доставить ни с чем не сравнимое наслаждение любителю музыки. имеет внушительные размеры и вес и стоит больше, чем посредственный аппарат, хотя бы и с мощностью на порядок выше.

Конечно, бывают ситуации, когда без высокой мощности не обойтись, например при озвучивании дискотеки, но в домашних условиях грамотно спроектированный однотактный триодный усилитель без обратной связи мощностью 5 - 10 Вт с типичным уровнем искажений около 5-6% при полной мощности (и соответственно около 1.0% при мощности 1 Вт), работая на акустическую систему чувствительностью 90 дБ и более, способен обеспечить весьма высокое качество звучания, зачастую недостижимое для аппаратов, использующих какую-либо другую схемотехнику.

Внимательный читатель может отметить, что большая часть сказанного выше в равной мере относится и к транзисторным однотактным усилителям. Совершенно верно, в мире существует и такое направление, его яркими представителями являются усилители серии "Pass Aleph" Нельсона Пасса. Мы не против транзисторов, но все же заметим, что на сегодняшний день ламповый триод является самым линейным усилительным элементом, и с его помощью получить высокое качество звучания во всяком случае проще. Подтверждением этому служит и тот факт, что в самых высоких ценовых категориях мы видим только ламповые однотактники.

Несколько слов по поводу акустических систем, которые могут использоваться с однотактным усилителем. Говорят, что только высокочувствительные (95 дБ и выше) акустические системы способны раскрыть возможности маломощных ламповых усилителей. Бесспорно, чем выше чувствительность ваших АС, тем меньшая мощность требуется от усилителя для создания одинакового уровня звукового давления и тем меньше, соответственно. будут искажения. Но вот беда. не всегда более чувствительная акустическая система оказывается лучшей по звуку. Как же быть? В домашнем комплекте одного из авторов описываемый усилитель длительное время работал с акустическими системами на динамических головках "Peerless" чувствительно­стью 88 дБ, воспроизводя музыку различных жанров, включая хард-рок на повышенной громкости, и проблем с передачей динамических контрастов не было. На выставке "Российский Hi-End 2000" усилитель "Nostalgia" демонстрировался в комплекте с акустическими системами чувствительностью 87 дБ в зале площадью никак не менее 50 м2 и к изумлению многих, к нашему в том числе, на большинстве фонограмм он смог обеспечить необходимую громкость, не заходя в "клиппинг". Так что если предельная громкость не является для вас главным критерием оценки качества звучания, используйте ту акустическую систему, которая у вас есть, и, возможно, вы будете приятно удивлены. На самом деле удивляться не стоит, субъективное восприятие громкости звучания ламповых усилителей существенно отличается от восприятия громкости транзисторных. Наиболее часто называемая субъективная оценка мощности "Nostalgia"- 35-40 Вт. Надеемся. что развеяли ваши сомнения.

Двухтактные сложнее: нужны хотя бы два активных прибора и специальная схема - фазоинвертор — для их раскачки. Благодаря этому в наиболее распространенных режимах работы двухтактных каскадов АВ и В (о них речь пойдет чуть ниже) усиление гармонического сигнала про­исходит за два такта — одно плечо каскада усиливает положительную полуволну входного сигнала, а другое — отрицательную. На выходе они складываются так, чтобы выходной сигнал при синусоидальном входном сигнале был также синусоидальным. Усложнение схемы двухтакт­ного каскада вполне оправдано тем, что он имеет лучшие энергетические показатели и, прежде всего, более высо­кий коэффициент полезного действия (КПД).