Мой 40-летний любовный роман с замечательным усилителем

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:19.

Последние изменения: 2025-03-03 20:19

Моя 40-летняя любовная интрига с замечательным усилителем-усилителем класса B для аудиофилов

Современная высококачественная аудиосистема имеет отличные характеристики и звуки, почти идеальные. Почти идеальный, но не совсем. В аудиосистемах есть один очень важный атрибут - атрибут, который мы называем «присутствие». В этой статье обсуждается альтернативная конструкция усилителя мощности со звуком, который часто отсутствует в обычных усилителях.

Примечание. Из-за популярного спроса файлы LTspice для обсуждаемой здесь схемы доступны в нижней части статьи.

Даже лучшие коммерчески доступные аудиосистемы не имеют реального присутствия - в то время как звук может быть кристально чистым, вы никогда не ошибетесь с записанными голосами для настоящих голосов или записанным фортепиано для настоящего пианино. Человеческое ухо сразу знает разницу.

Как слушатели, даже как слушатели аудиофильмов, мы не боимся этого недостатка присутствия, потому что мы пришли к согласию, что то, что мы слышим от современной аудиосистемы, так же хорошо, как и получается. Но это просто неверно, и его не нужно принимать.

Отсутствие присутствия происходит почти полностью из-за искажений, присущих фундаментальной конструкции всех коммерческих усилителей мощности. Вы заметили, как звучат более четкие наушники? "Src =" // www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/Block_diagram_of_conventional_class_B_amplifier.jpg" />

«Блок-схема обычного усилителя класса B с двумя половинами дополнительного выходного каскада, представленная вспомогательными усилителями X и Y.» Из статьи Питера Бломли 1971 года (PDF)

В этой статье я продемонстрирую, что есть альтернативный дизайн усилителя мощности, который практически не искажает и обеспечивает звук, который имеет отсутствие в обычных усилителях. Этот усилитель был разработан более сорока лет назад, и, несмотря на его превосходную верность, он никогда не видел коммерческого производства.

Я представлю идею «частоты изгоев» и их влияние на наш опыт прослушивания. Затем я расскажу, как этот оригинальный и действительно пригородный усилитель успешно минимизирует искажения и не создает тревожных частот изгоев.

Эта конструкция настолько эффективна, и выход настолько чист, что создает звуковое присутствие, которое невозможно игнорировать.

Чтобы понять, почему коммерческие усилители создают звук, который очень хорош, но который не имеет присутствия, я начну с обсуждения чувствительности человеческого уха. Затем я рассмотрю типы искажений и как они влияют на то, что мы действительно слышим.

Наконец, как потенциальное дополнение к оригинальному дизайну, я буду обсуждать искажения, вызванные «отсечением» и тем, как уменьшить его жесткость.

Краткий анекдот о граммофоне

Недавно я отправился навестить друга-энтузиаста, который хотел показать мне подлинный графофон 1890 года с настоящей иглой с шипами и настоящим рогом «Его Учителя», который он только что купил.

Его Голос Учителя, написанный 1898 Фрэнсисом Баураудом

С приобретением граммофона появились очень старые 78-миллиметровые рекорды, сделанные непосредственно от оригинального мастера воска - огромный рог граммофона был помещен рядом с оркестром, и игла разрезала спиральный паз, используя только звуковую энергию, в покрытой пластинкой с тонким слоем воска. Был оригинальный рекорд в хорошем состоянии Карузо в полном славном голосе! Были также оркестровые и хор-записи.

Все они были сделаны до того, как триод был изобретен, поэтому в их производстве не использовалась электроника. Чтобы юморить моего друга, я согласился слушать, ожидая неприятно искаженного звука. Как я и подозревал, было шипение, а трещины, но музыка! Чисто и ясно, вы могли слышать каждый инструмент и голос совершенно отдельно и красиво, даже с хором и монофоническим источником. Карузо действительно заслуживает его репутации. Это звучало ЖИТЬ И НАСТОЯЩЕЕ, хотя оно было сделано в 1902 году.

Итак, почему современные усилители со всеми замечательными улучшениями, которые мы достигли в области электронных технологий, не обладают этим существенным качеством присутствия?

Как человеческое ухо воспринимает гармонические искажения

Человеческое ухо необычайно чувствительно. В идеальных условиях ухо может слышать звуки из барабанной перепонки, движущиеся на столько же, сколько диаметр атома водорода (~ 10-10 м). Любопытно, что человеческое ухо может быть очень чувствительным к некоторым вещам, оно не очень чувствительно к другим вещам. Например, чтобы заметить изменение громкости, мощность должна быть удвоена (3db).

Поэтому, если бы вы увеличили, скажем, 2-ю гармонику на 5%, это был бы необычный человек, который заметил. Таким образом, истинное чистое гармоническое искажение ниже примерно 10% довольно неопределяемо и не имеет значения даже для лучшего привет-fi. Тем не менее, гармонические искажения легко для инженера измерить до больших уровней точности и вплоть до очень низких уровней, поэтому об этом говорят много, хотя в конечном итоге это не имеет большого значения!

Подумайте, как вы мгновенно идентифицируете голос своей матери, даже по телефону lo-fi. Это достигается гармоническим содержанием, и человеческое ухо очень глубоко настроено на гармоничное содержание: «У вас простуда, мама !?» может быть задан после одного предложения от нее.

Это показывает, что введение дополнительных гармоник очень хорошо слышимо (всего 0, 01% легко обнаруживается как звук другого типа).

Интермодуляционные искажения

Любые две частоты, прошедшие через нелинейный усилитель, будут генерировать суммарную частоту и разностную частоту в дополнение к исходным частотам. Амплитуда этих дополнительных частот («частоты изгоев») связана с величиной нелинейности. Это интермодуляционное искажение, и его очень трудно измерить, особенно на чрезвычайно низких уровнях, которые по-прежнему остаются значимыми для человеческого уха. Эти дополнительные нежелательные частоты изгоев отключаются в нашей стандартной музыкальной шкале, и даже незначительные количества заставляют музыку звучать «грязно».

Музыка или голос состоят из сотен наложенных частот в любой данный момент (как описано математиком Джозефом Фурье). По мере того, как этот набор частот пропускается через усилитель, к исходному сигналу добавляются дополнительные «частоты изгоев» с малой амплитудой, а человеческое ухо очень чувствительно к этому дополнительному частотовому содержанию и сразу же идентифицирует, что звук не является реальным. Это важная причина, по которой вы никогда не путаете, скажем, голоса на телевидении или радио с настоящими посетителями, даже когда вы находитесь в другой комнате.

Даже очень хорошие обычные усилители не ошибаются за реальную вещь! Преобразователи (например, игла на записи или громкоговоритель) обычно достаточно линейны (конечно, версии для аудиофилов), поэтому они не вводят много частот изгоев, хотя их гармонические искажения (через резонансы и т. Д.) Могут быть довольно большими. Слабость в hi-fi-системе, независимо от ее количественных превосходных характеристик, обычно является только усилителем.

Кроссоверные искажения

Анализ усилителя показывает, что усилитель класса B имеет искажение без обратной связи около 33%, а усилитель класса А имеет искажение без обратной связи около 8% и звук лучше, чем класс В. Большая часть искажений класса B исходит от использования выходных транзисторов в качестве выпрямителей для разделения плюс и минус половинок сигнала, а затем последующего усиления этих половин после этого («push-pull»).

Когда силовой транзистор приводится под током коллектора около 15 мА, усиление резко падает. Если бы можно было предотвратить то, что ток в выходных силовых транзисторах никогда не опускается ниже 15 мА и в эту нелинейную область, это значительно улучшит ситуацию. Это изменение усиления вызывает искажение кроссовера, характерное для усилителей класса B.

Обратите внимание, что это искажение кроссовера не следует путать с искажением звука, часто также называемым искажением кроссовера, которое возникает, когда аудиосигналы разделяются на частотные диапазоны, как в схемах громкоговорителей, для подачи соответствующего частотного диапазона на каждый дискретный блок драйвера.

Переходные интермодуляционные искажения

Современное искажение усилителя контролируется отрицательной обратной связью, что уменьшает искажения пропорционально обратной связи. Амплификация дешево доступна, поэтому кажущаяся нелинейность может быть уменьшена до сколь угодно низких уровней с достаточной обратной связью.

Но сигнал обратной связи требует времени, чтобы пройти через усилитель и обратно на вход отрицательно, чтобы отменить искажение. Поэтому, когда происходят внезапные изменения (переходные процессы), существует период, в течение которого голый усилитель подвергается действию в мире, а нелинейность добавляет сигналы интермодуляции изгоев к оригиналу, которые не полностью отменены обратной связью. Это временное интермодуляционное искажение. То, что вам нужно, - это разумный усилитель без искажений, прежде чем применять обратную связь. Искажение голого усилителя класса B настолько плохо, что в большинстве анализов, по-видимому, рассматривается только искажение с обратной связью.

Одной из причин, по которой современные усилители звучат лучше, чем их старые аналоги (по существу, по существу, такие же схемы A или B, как всегда), - это увеличение скорости компонентов. Дискретные компоненты с несколькими гигагерцами свободно доступны, и даже дешевые транзисторы имеют много частот. Это означает, что время обратной связи в настоящее время очень мало.

Искажение отсечения и как его смягчить

Транзисторные усилители, приводимые в звук насыщения, ужасны, потому что вершины формы волны очень резко отсекаются, что приводит к квадратным углам и огромному взрыву неприятных гармоник. Я нахожусь в ожидании, когда умру, когда обычный усилитель будет жестко двигаться.

С другой стороны, вблизи их точки отсечения клапаны имеют довольно мягкую нелинейную характеристику, что приводит к округлой раздавленной синусоидальной волне, которая содержит меньше побочных гармоник и звучит намного лучше, чем квадратичная синусоидальная волна транзисторного усилителя жесткий.

В простой схеме, изобретенной Carl F Wheatley-Jr. (патент США 3 786 364/74), для каждого выходного транзистора используется один транзистор и три резистора (TRP и RP1, RP2 и RP3) (см. Ниже).

Полный усилитель Blomley с дополнительным выходом и защитой от отсечения. Нажмите, чтобы увеличить

Он измеряет комбинацию напряжения (RP3) и тока (= напряжение на RP2) в выходных транзисторах, и когда комбинация этих двух напряжений превышает примерно 0, 6 В, он включает TRP и удаляет привод на выходы.

Обратите внимание, что 0, 6 В является номинальным, и некоторый ток начинает течь, когда Vbe превышает ~ 0, 45 В, так что это «мягкое» выключение. Он имеет два преимущества:

Это делает усилитель «клип» мягко, очень похожим на конструкции клапана, что делает звук очень прощающим и предотвращает «съеживания».
Он защищает выходные транзисторы от большинства злоупотреблений.

Новый подход Петра Бломли к дизайну усилителя класса B

В февральских и март 1971 выпусках Wireless World Питер Бломли опубликовал революционную и очень плотно сконцентрированную статью «Новый подход к дизайну усилителя класса B» (PDF) в двух частях (запатентован Plessey, No.53916.69, хотя этот патент имеет длинные так как истек).

Очень умный бит усилителя, который он описывает, заключается в том, что Бломли разбил входящий сигнал на верхнюю и нижнюю половинки, прежде чем применять отдельные сигналы к выходным транзисторам. Тогда он легко мог проектировать выходные транзисторы для работы только в своей линейной области (выше тока коллектора ~ 15 мА).

Кроме того, он сделал замечание, что с сигналами напряжения диоды очень нелинейны, но если вы используете источник тока, диод настолько близок к теоретическому идеалу, что его можно действительно назвать совершенным (различие между передним и назад ток в дешевых диодах).

Как показано на схеме выше, он использовал источник постоянного тока (Tr6) и имел переменный ток (Tr3). Разностные токи управляют диодами, которые на самом деле являются транзисторами, используемыми в качестве диодов (Tr4 & Tr5) для исправления тока. Используя здесь очень высокочастотные транзисторы, переход от «верхнего» сигнала к «нижнему» сигналу был настолько быстрым, что он превышал 100 кГц.

«Новый подход к усилителю класса B, в котором SUb-усилители смещены над нелинейной областью и питаются однонаправленными сигналами, создаваемыми диодами, что эффективно передает разделение сигнала с суб-усилителей на отдельную часть схемы». От Питера Бломли (PDF)

Конечным результатом этой труднодоступной схемы (мы используем цепи напряжения) является усилитель класса B, который имеет искажения ниже 0, 1% без обратной связи. И на осциллографе нет различимых искажений кроссовера без обратной связи.

После применения небольшой обратной связи существуют неизмеримые интермодуляционные искажения, искажения интермодуляционных интермодуляций и гармонические искажения. Результирующий выход этого усилителя настолько ясен, что записанный голос можно легко принять за живого человека. Усилитель Peter Blomley - усилитель класса B, который намного превосходит производительность класса A.

И все же Питер Бломли и его усилитель уже почти 40 лет практически не узнаются в мире аудио. Я предлагаю две причины для этого. Во-первых, его дизайн был настолько оригинальным и настолько неожиданным, что мало кто его понимал или воспринимал всерьез. Во-вторых, Бломли никогда не ставил свой проект в коммерческое производство, потому что Плесси держал патент, поэтому еще меньше людей смогли его послушать или оценить его производительность.

Большинство аудиолюбителей, которые построили свой собственный усилитель Бломли, изменили дизайн и тем самым ввели искажения. Я предлагаю вам создать оригинальный дизайн (возможно, только небольшие модификации, предоставляемые современными компонентами) и послушать его. Это даст вам справочный звук, чтобы проверить любые дальнейшие изменения, которые вы могли бы поэкспериментировать.

К сожалению, игнорируя дизайн Бломли так долго, мир аудио лишил себя принципиально лучшего усилителя. За последние сорок лет мы прилагаем все усилия, пытаясь смягчить то, что, как мы думали, являются неизбежными характеристиками электронных усилителей, в частности усилителей класса B. Смелость Питера Бломли как молодого инженера заключалась в том, чтобы задаться вопросом, насколько неизбежны эти характеристики на самом деле, и затем приступить к их разработке из своего усилителя.

Сегодня доступны превосходные высоковольтные высокоскоростные транзисторы, которые делают усилитель Blomley еще лучше, чем его версия 1971 года.

Первоначальная конструкция усилителя была для усилителя мощностью 30 Вт с релейной шиной 60 В, и из-за чистоты это более чем достаточно для обычного домашнего использования. В 1971 году маломощные транзисторы 100 В были редкими, но это уже не так, и теперь можно использовать силовой рельс мощностью 80 В с разными транзисторами, увеличивая мощность до 50 Вт. Тем не менее, большие объемы звука не нужны, так как звук настолько чист. Огромный запас, снабженный большинством усилителей, там, поэтому вы можете воспроизводить их на большом уровне и похоронить кроссоверные интермодуляционные искажения на высоком уровне звука (довольно грустно).

Вывод

40 лет назад я влюбился в ясность и чистоту звука от усилителя Бломли, но потребовалось много времени, чтобы понять схему и оценить блеск Питера Бломли. Теперь я создал несколько из этих усилителей, и, если я придерживаюсь оригинального дизайна Blomley, все они звучали лучше, чем великолепно.

Человеческий отклик, в том числе и наш, часто трудно объяснить, но я обнаружил, что с усилителем Бломли обычные люди находят желание слушать музыку гораздо больше, чем с обычным дизайном усилителя верхнего уровня. Они не понимают, почему, они просто в конечном итоге слушают больше музыки, чаще всего - безусловно, окончательный тест. Прослушивание усилителя Бломли вызывает привыкание. Я, конечно, нашел это так, как и многим другим, которым посчастливилось испытать этот экстраординарный усилитель.

На самом деле его трудно использовать для фоновой музыки; люди, как правило, перестают разговаривать и начинают слушать музыку. Его присутствие является убедительным.

В своей статье Питер Бломли высказался в 70-х годах о том, что «Производительность усилителя этого калибра, по-моему, тратится в обычном аудио-настройке». Я построил свой первый Бломли и сразу понял, что не могу согласиться с выражением, которое он выразил. Моя мама, которая была взволнована в крайнем случае, просидела все «Пираты Пензанса», не сказав ни слова! Это было в 1970-х годах, а другие компоненты в аудиосистеме прошли долгий путь с тех пор.

Выбор усилителя Blomley теперь определенно оправдан и является наилучшим способом извлечь выгоду из технических достижений, сделанных во всех других компонентах аудиосистемы.

Примечания к цепи

В большинстве усилителей, которые я построил, я использовал квазикомплементарное выходное транзисторное устройство, но в настоящее время согласованные дополнительные транзисторы мощности легко доступны. Это действительно не имеет значения!

Необходимо проявлять особую осторожность, чтобы физически отделить входной сигнал от выхода, чтобы предотвратить высокочастотную обратную связь. Этот усилитель достаточно быстр для использования на радиочастотных частотах.

У меня есть файл LTspice, если кто-то заинтересован в игре с ним. (Примечание редактора: вы можете найти файлы LTspice ниже.)

Файлы SPICE

Файлы Blomley Circuits_LTspice

Примечание. Автор изменил файлы LTspice на основе отзывов сообщества. Файлы, показанные выше, являются улучшенной версией, обновленной на 22.06.2018.

Мой 40-летний любовный роман с замечательным усилителем - усилитель класса b для аудиофилов