Нелинейные искажения в ламповых и транзисторных усилителях низкой частоты

Выбирая усилитель для прослушивания музыки, пожалуй, каждый потребитель смотрит на его характеристики, представленные в паспорте производителем. Из всех видов искажений, которыми страдают усилители, как правило, производителем выносится в характеристики  лишь «коэффициент нелинейных искажений». Под ним подразумевается общий коэффициент нелинейных искажений во всем звуковом диапазоне (поскольку на отдельных частотах это значение будет различным).

Нелинейные искажения, или гармоники, возникают в усилителях низкой частоты благодаря нелинейным характеристикам компонентов, входящих в их состав. То есть зависимость сигнала на выходе некоторого канала, усиленного с использованием нелинейных элементов, по отношению к сигналу на входе нелинейна. Нелинейными элементами являются лампы, транзисторы, трансформаторы, дроссели, конденсаторы (в первую очередь, электролитические).

Следует заметить, что наиболее нелинейны лампы. На самом деле лампа имеет достаточно линейный участок, на котором она может работать, но выход за его пределы чреват искажениями. Работать, не выходя из этого участка, легко могут предусилительные ламповые каскады, а вот для выходных каскадов это проблемно.

Кроме того, серьезную нелинейность могут вносить звуковые трансформаторы, особенно при недостаточной площади сечения сердечника (это бывает, если производитель на трансформаторе сэкономил).

Цепи, содержащие нелинейные элементы, на выходе имеют кроме сигнала, идентичного входящему в той или иной степени, и частоты, которые исходный сигнал не содержит. Их и называют гармониками. Частоты этих дополнительных осцилляций будут в два, три и более раз выше, чем первичный сигнал. Таким образом, гармоники и именуют по их номеру (порядку).

Понятно, что явление это нежелательное. Для борьбы с гармониками при разработке усилительных трактов применяют различные меры, о чем еще скажем несколько ниже. А пока давайте разберем критерий уровня допустимых нелинейных искажений для естестенности восприятия звука ухом человека. Понятно, что в целом чем меньше, тем лучше, но здесь тоже не все так просто, и сложность эта вызвана неодинаковой восприимчивостью уха к гармоникам различного порядка. А этот фактор, как правило, и не учитывается.

Однако именно уровни гармоник в среднестатистическом ламповом и транзисторном усилителях стали яблоком раздора между объективистами (инженерами) и субъективистами (музыкантами и аудиофилами).

Тот факт, что сегодня наблюдается ренесанс ламповых усилителей, очевиден. Однако насколько он обоснован? Давайте рассмотрим позиции обеих сторон.

• Инженеры: Ламповые усилители имеют по определению больше гармоник, это можно измерить. Поэтому они не могут звучать лучше усилителей, в которых уровень этих гармоник меньше.
• Аудиофилы: Если при прослушивании можно идентифицировать звук лампового усилителя как более естественный, значит это так и есть.

Самое интересное в том, что правы обе стороны! Как всегда и той, и другой стороне не хватило желания «капнуть» чуть глубже. А мы как раз и попытаемся это сделать. Для этого нам необходимо будет обратиться к дипломной работе Даниэля Х. Чивера 1989 года. Работа называется «Новая методика тестирования усилителей мощности звуковой частоты, основанная на психоакустических данных и лучше коррелирующая с качеством звука».

Даже из названия работы понятно, что автор видит суть проблемы в особенностях восприятия звука человеком. Мы уже говорили в своих публикациях по форматам цифровой звукозаписи о феномене психоакустики, но сегодня данная тема будет рассмотрена еще и под другим углом. Х. Чивер в своей работе описывает свойства слухового аппарата человека, как имеющего собственные гармоники.

Причем гармоники первых порядков в нем достаточно существенны и, как правило, больше тех же гармоник даже не самого лучшего лампового усилителя. Гармоник же высоких порядков наше ухо практически не имеет, что позволяет на слух (понятно, что при определенной тренировке) определять эти гармоники даже на низком уровне. В частности, для гармоник порядка 6-й и выше, чувствительность человеческого уха достигает 0,0001-0,00001%.

Получается, что гармоники, создаваемые источником (а мы сегодня говорим как об источниках об усилителях, вынося акустику за скобки), человеческое ухо принципиально может воспринимать, если это гармоники высоких порядков. Гармоники же низких порядков наш слуховой аппарат не воспринимает, так как сам в этом диапазоне не идеален (при определенной громкости его гармоника 2-порядка может достигать 10%). Все это хорошо видно на иллюстрации, ниже.

Теперь обратимся к особенностям распределения гармоник у разных типов усилителей. Здесь принципиально то, что именно у ламповых усилителей (особенно не охваченных общей отрицательной обратной связью) преобладают гармоники низкого порядка, По сути, накладывая на них закономерность, приводимую Х. Чивером, мы видим, что они попадают в ту область, где у нашего органа слуха собственные гармоники больше, чем гармоники усилителя. Таким образом они как бы маскируются. На этом и основана данная психоакустическая модель.

Напротив, для твердотельных усилителей звука в настоящее время стала стандартом схема их построения с большим количеством каскадов, дающих избыточное усиление, с последующим охватом всего усилителя общей отрицательной обратной связью с целью минимизации общего коэффициента гармоник.

Это приводит, с одной стороны, к низким значениям нелинейных искажений в паспорте (что, конечно, правда), а с другой, к наличию во всем спектре большого количества гармоник высоких порядков. Они, конечно, имеют низкие значения, но мы-то уже знаем, что ухо способно на высоких порядках услышать 0,0001-0,00001%.

Собственно, это и слышат тренированные уши тех, кто слушает музыку регулярно и вслушивается  нее, а не включает в качестве фона. При этом инженеры правы на 100% — общий уровень гармоник твердотельных усилителей меньше. И это можно измерить!

Есть еще один фактор, говорящий не в пользу многокаскадных твердотельников, охваченных общей отрицательной обратной связью: это более высокий уровень фазовых искажений в них. Но это уже отдельная тема. Об этих и других видах искажений обычно не говорят, а поэтому назрела необходимость разобраться и с ними. Но уже в следующих публикациях.