Про что это.

Обычно искажения усилителей измеряют просто: подают на вход синусоиду с частотой 1 кГц, и смотрят на сигнал на выходе. При этом иногда даже «забывают» подключить нагрузку, пишут «Кг (или THD) при напряжении, соответствующем выходной мощности ХХХ ватт на нагрузке ZZZ ом» . Потому что без нагрузки искажения усилителя гораздо меньше, чем с нагрузкой (ведь выходной ток не течет, и нелинейность транзисторов сказывается гораздо меньше, есть и другие причины). Вот и получаются красивые цифирки. Более честные производители измеряют искажения на так называемом «эквиваленте нагрузки» — резисторе с нужным сопротивлением (или 4 или 6 или 8 ом). Да что там греха таить — и многие из нас, радиолюбителей, тоже так поступают. Но если радиолюбителей еще можно простить, как с них, любителей, требовать правильный эквивалент нагрузки (который довольно сложный и дорогой), то производителей простить нельзя.

Беда в том, что сопротивление реальных колонок сильно зависит от частоты. Например, колонки KEF iQ1 по паспорту имеют сопротивление 8 Ом, а их минимальное сопротивление = 3,8 Ом. Почти в 3 раза!!! Кроме того, оно (сопротивление колонки) может на разных частотах иметь характер и емкости, и индуктивности (и еще и нелинейно, но это уже совсем сложная тема). А ведь на высокое сопротивление резистора усилителю легче работать, чем на маленькое — на маленьком сопротивлении выходной ток большой, который может даже стать больше допустимого. Присутствие в нагрузке индуктивности или емкости также увеличивает выходной ток, но кроме этого еще и создает фазовый сдвиг, чем ослабляет отрицательную обратную связь (которая служит для снижения искажений) и ухудшает устойчивость усилителя.

Короче говоря, те цифирки, которые приводят производители, хоть и очень красивые, но зачастую не имеют ничего общего с реальной работой усилителя на колонки, а являются сплошным надувательством .

Чтобы не быть голословным, я приведу выдержки из статьи, опубликованной в журнале «Радио» №2 2000г. «О взаимодействии УМЗЧ с нагрузкой». Вот о чем в ней пишут.

Известные исследователи в области электроакустики Матти Отала и Мамору Сэкия еще в 1987 г. в своей статье, опубликованной в журнале «Funkschau» № 23, обратили внимание, что при работе на реальные колонки (у которых не так все прекрасно с сопротивлением, индуктивностью и емкостью) искажения усилителей намного выше, чем написано в их паспортных данных, потому что производители измеряли Кг (THD) на простом резисторе с номинальным сопротивлением. И авторы проверили, что же происходит, если к этим усилителям подключить нагрузку с более низким сопротивлением, да еще и содержащую индуктивность-емкость (т.е. что-то, похожее на настоящие колонки). Всего было испытано пять усилителей «стоваттной» категории: «Harman-Kardon PM665«, «Luxman L-510X«, «Sansui AU-D907X«, «Yamaha A-1000» и «Yamaha M-50«.

Что и как измерялось. Была нагрузка с изменяемым сопротивлением от 2 до 8 Ом. И еще к ней можно было добавлять емкость или индуктивность «в разных количествах». «Количество» добавленной индуктивности и емкости показывает угол сдвига фаз: «+» означает индуктивность; «-» емкость; чем угол больше, тем индуктивность-емкость влияет сильнее. Угол 45 градусов говорит о том, что индуктивность (или емкость) имеют такое же сопротивление (и влияние) как и резистор нагрузки.

Итак, брали усилитель, подключали нагрузку и увеличивали громкость до тех пор, пока Кг не становился равным 1% (типа это уже настолько плохо, что предел), получившееся выходное напряжение записывали. А нагрузку брали разную — и большого сопротивления, и маленького, и с катушками-конденсаторами и без… Результаты измерений в произвольном порядке (чтобы никто не узнал, какой именно усилитель самый плохой — политика, блин) представлены на рисунках.

На рис.1 а) показан очень хороший усилитель, прямо-таки идеал — то, к чему нужно стремиться (жаль только неизвестно, какой именно это усилитель). Смотрите, у него влево и вправо от центра (т.е. при введении емкости и индуктивности) напряжение не уменьшается. Т.е. ему по барабану, есть они, или нет — он все равно выдает большую мощность с Кг=1%. Передний край немного ниже заднего: при уменьшении сопротивления нагрузки, максимальное неискаженное напряжение чуть уменьшается — ведь выходная мощность при этом растет! Т.е. получается, что для любой нагрузки неискаженная максимальная мощность большая. Теперь, если какая-то точка графика другого усилителя будет выше, чем этого — то он в ней лучше. Если будет ниже — то он хуже.

Мощность считается так: U^2 / Rн. Т.е. наш образцовый усилитель на нагрузке 8 ом: 30^2 / 8 = 112 Вт. А на нагрузке 2 ома: 24^2 / 2 = 280 Вт (недолго, наверное, но ведь даст!).

Теперь смотрим на другой усилитель справа (рис.1 б). Какой резкий скат вперед! Это значит, что при уменьшении сопротивления нагрузки, искажения так резко растут, что приходится сильно снижать выходную мощность. 70 Вт на нагрузке 2 Ома — не много, но все же живем! Зато не индуктивность-емкость почти не реагирует.

Я числа стараюсь писать как можно точнее, но сами видите — по таким графикам точно не определишь напряжение. Так что, если ошибусь — не обижайтесь!

Следующая картинка.

Левый (рис.1 в) опять же, неплохо «держит удар». На реактивную нагрузку ноль реакции (это каламбур!  ), а вот с низкоомной нагрузкой у него дела лучше, чем у предыдущего: 160 Вт на 2 омах, весьма неплохо.

А вот правый подкачал: Даже на чисто активной нагрузке (а такой в колонках не бывает) он дает 30 Вт на нагрузке 3 Ома! Это значит, что на той самой колонке KEF, про которую я писал вначале, он даст не более 30 ватт при не очень сильных искажениях. А если больше — хана!

Идем дальше.

Последний из усилителей (слева, рис. 1 д) все же заметно чувствует снижение сопротивления нагрузки (но не очень сильно, на втором месте после варианта «а»). Но у него есть тайное оружие — изначально большой запас по выходному напряжению — на восьми омах более 40 вольт на выходе. Это радует, а вот если бы при этом и нагрузку не так чувствовал…

А вот рисунок 1 е) показывает работу одного из этих (только неизвестно какого) усилителей на низкой частоте 50 Гц. На ней заметно сказываются недостатки блока питания и устройств защиты от перегрузок. Чуть только нагрузка отличается от активной, все! Алес! И это при сдвиге фаз 40 градусов — да у большинства колонок он (сдвиг фаз) может быть и больше! Такой 100-ваттный усилитель способен отдать в нагрузку на частоте 50 Гц, где обычно наблюдаются глубокий фазовый сдвиг и сильные перепады импеданса, не более 5 Вт (!) при Кг = 1 %. Похоже на то, что у усилителя недостаточная емкость конденсаторов фильтра в блоке питания (или совсем слабый трансформатор, или защита слишком рано начинает вмешиваться) — на этой частоте от них требуется больше работы, чем на частоте 1 кГц. А ведь на 50 Герцах у большинства колонок резонансы динамиков и фазоинверторов, поэтому фазовые сдвиги огромные! А у нас всего 5 Вт на выходе… 

Вот и получается, что при работе на реальную нагрузку, усилитель может вносить большие искажения. Может поэтому некоторые колонки с некоторыми усилителями «не звучат»?

Что я сделал.

Я насколько смог повторил такой опыт с моим усилителем на микросхеме TDA7293 (TDA7294). Взял и измерил свой реальный Усилитель для колонок Монитор Аудио, который у меня подключен к звуковой карте компьютера. Почему именно этот? Ну, во-первых, он уже подключен; во-вторых, его просто было померить; а главное — это полный усилитель с регулятором громкости, блоком питания, корпусом. Не макет, не какой-то специальный лабораторный образец с лабораторным источником питания, а самый настоящий усилитель, на котором я слушаю музыку с компьютера. Мне и самому интересно: что же я слушаю…

1. Повторение эксперимента на моем усилителе.

Я не умею построить такие же красивые графики, да и разных нагрузок у меня маловато. Поэтому результаты просто заношу в таблицу 1. Это максимальное выходное напряжение на частоте 1 кГц при Кг=1%.

Таблица 1. Частота 1 кГц; Кг=1%.

Нагрузка: Импеданс, Ом	Нагрузка: Фаза, град	Uвых, В RMS (Кг = 1%)	Рвых, Вт (Кг = 1%)
6	0	16,2	43
2,5	0	11,5	53
4,5	+23	14,3	45
4,5	-31	14,5	45

Ого! Это даже лучше, чем у некоторых 100-ваттных усилителей!!! Я-то делал себе 40-ваттный. Интересно, это он лучше, чем Yamaha, или чем Harman-Kardon? 

Посмотрев на рисунок 1е, я решил заодно провести эксперимент и на частоте 50 Гц. См. таблицу 2. К сожалению, не получилось создать заметных фазовых сдвигов на частоте 50 Гц, но снижение сопротивления нагрузки к катастрофическим результатам не приводит.

Таблица 2. Частота 50 Гц; Кг=1%.

Нагрузка: Импеданс, Ом	Нагрузка: Фаза, град	Uвых, В RMS (Кг = 1%)	Рвых, Вт (Кг = 1%)
6	0	16	42
2,5	0	11	48
4,5	+5	11,4	51
4,5	-5	15	45

Вывод — хорошо! Идем дальше.

2. Кое-что об ООС.

На самом деле, измерять при каком напряжении Кг станет равным в точности 1%, было нелегко. Уж очень резко растут искажения. Например, при выходном напряжении 15,5 вольт Кг=0,08%, а при 16 вольтах — уже 0,8…1,5%. Это влияние отрицательной обратной связи (ООС), которая стремится поддержать низкие искажения, а потом, когда уже невозможно их поддерживать, как будто плотину прорывает (рис.2, синяя кривая).

Некоторые товарисчи такое поведение ООС ставят ей в вину, мол, при перегрузке искажения растут очень быстро, это неприятно на слух, следовательно ООС — это плохо (мы сейчас говорим только об этом свойстве ООС, чтобы не заводить ненужных дискуссий!). Лично меня такой подход просто умиляет: это все равно, что сказать, что «Мерседес» — дерьмовая машина лишь потому, что когда на нее положили пару железобетонных плит, она смялась в лепешку! А на человека если нагрузить чрезмерный груз — он с копыт свалится! Это я к тому, что перегрузка — режим ненормальный и вредный по определению. Никто никогда никому не обещает нормальную работу в перегрузке. Просто не работайте там, и все! Есть максимальная мощность Рмакс, ограниченная заданными искажениями (точка А на рис.2), и не делайте громче. А нужно громче — выбирайте такой усилитель, чтобы его Рмакс вас устроила!

ООС снижает искажения — из зеленой кривой делает синюю (рис.2), сдерживает их изо всех сил. Но за «красной чертой» (при выходной мощности выше Рмакс) она просто неможет ничего сделать, и искажения в конце концов возвращаются к изначальным (точка Б). Да, они растут быстро после точки А, но зато — передаю по буквам: ИСКАЖЕНИЯ МЕНЬШЕ В РАБОЧЕЙ ОБЛАСТИ! Посмотрите в желтый прямоугольник. Без ООС в этой области большие искажения. Это тот самый «плавный рост искажений при увеличении выходной мощности», который нам предлагают слушать в усилителе без ООС. Это хорошо? Нехилый такой рост. Тогда сравните его с синей кривой — там искажения почти вообще не растут! Главное, за красную черту не переходить…

А как за нее не заходить? Несложно. Если нам известна Рмакс (в моем усилителе это 40 Вт), значит, можно найти соответствующее выходное напряжение усилителя. Дальше, известно, какое наибольшее напряжение источника сигнала (у моей звуковой карты это 3 вольта амплитудных). И тогда находим требуемый коэффициент усиления Ку, чтобы при самом большом входном сигнале не превысить Рмакс. Или, если задан Ку (у меня = 30), усиливаем/ослабляем входной сигнал до такой величины, как нам нужно. Я это сделал регулятором громкости звуковой карты в трее Windows. Больше тот регулятор я не трогаю, а громкость регулирую регулятором усилителя. И уверен, что у меня на выходе больше 25 Вт не бывает! Для моего усилителя, ограниченного мощностью 25 Вт (так мне захотелось) на нагрузке 6 Ом, расчет такой: Uвых.макс = КОРЕНЬ(25*6)=12 Вольт. Uвх.макс = 12/30=0,4 В. Я запустил на компьютере на воспроизведение синусоидальный сигнал максимальной амплитуды, и выставил регулятором в трее на выходе звуковухи 0,4 В.

3. Еще один эксперимент на моем усилителе.

Предыдущий эксперимент был просто повторением чужого, он носил скорее рекламную цель — сравнить мой усилитель с «фирменными» и показать, что мой не хуже. Да и сравнение должно быть достаточно корректным, значит — мой эксперимент должен быть таким же, как и описанный в статье. Он показывает максимальную перегрузочную способность, а мы договорились, что в наших усилителях перегрузки и близко не бывает. Но полученные результаты для меня не очень ценны, ведь я слушаю музыку на гораздо меньшей громкости, и искажения при этом намного меньше. Как же ведет себя усилитель при работе в реальных условиях и на обычной для него громкости? Для ответа на этот вопрос я измерил искажения усилителя при выходном напряжении 10 Вольт действующего значения, это соответствует выходной мощности примерно 16 Вт на нагрузке 6 Ом. Надо сказать, что на самом деле эта мощность тоже завышена — сидя за компьютером перед колонками, я реально подаю на них не более 0,5…1,5 Вт. Но если сделать громко, чтобы озвучить комнату, то максимум доберется и до 16 Вт. Вот давайте и посмотрим на искажения при нормальной работе усилителя.

Для измерений я использовал звуковую карту ESI Juli@ с питанием аналоговых цепей от внешнего качественного линейного блока питания (т.к. после установки в компьютер RAID-контроллера, питание, идущее с материнки было таким ужасным, что появлялись огромные помехи по питанию). Эти измерения проводились в режиме 24 бит / 192 кГц на прогретом усилителе сигналами продолжительностью 1/3 минуты (чтобы внутри микросхемы все успело нагреться, и если от нагрева искажения растут — мы бы это заметили). Вот спектр гармоник на активной нагрузке 6 Ом (почему именно 6 Ом? потому, что на моих колонках Monitor Audio Bronze B1 написано именно 6 Ом):

И результаты подключений разных нагрузок:

Таблица 3 .

Нагрузка: Импеданс, Ом	Нагрузка: Фаза, град	Рвых, Вт	Кг, %
6	0	16	0,054
2,5	0	40	0,036
4,5	+23	22	0,09
4,5	-31	22	0,08

Очень хорошие результаты! Даже самый тяжелый случай — нагрузка 2,5 Ом переносится практически без потерь, искажения увеличиваются, но остаются весьма небольшими. А мощность-то при этом 40 Вт — уже близка к максимальной, а он ее свободно выдает!

Давайте посмотрим спектр гармоник этих двух нагрузок:

Амплитуды всех гармоник выросли, это естественно, ведь возрос выходной ток, значит, в большей степени проявляется нелинейность выходных транзисторов. Больше всего возросла третья гармоника, рост более высоких гармоник незначителен, это хорошо.

Аналогичное сравнение можно сделать для реактивной нагрузки — тоже очень неплохой спектр:

Амплитуды всех гармоник выросли мало, значит нарушения работы ООС из-за фазового сдвига в нагрузке не происходит, а повышение искажений обусловлено ростом выходного тока из-за снижения импеданса нагрузки. Делаем вывод: по крайней мере на частоте 1 кГц, усилитель на микросхеме TDA7293 (TDA7294) очень хорошо переносит «трудную» нагрузку, выдавая когда надо повышенную мощность и не создавая больших искажений.

На самом деле нет смысла показывать такие большие «хвосты» гармоник: спектр искажений микросхемы довольно узкий, и гармоники с номером выше девятой-одиннадцатой в большей степени являются помехами и погрешностями измерения, но я специально показываю их для того, чтобы было видно, что нет никаких «спрятанных мною» искажений.

4. А теперь, все вместе!

А как ведет себя усилитель на других частотах? А вот возьмем, и измерим, причем используем 2 варианта нагрузки: чисто активный резистор 6 Ом, и сложную комплексную нагрузку, АЧХ импеданса которой показана на рис. 6.

Несмотря на то, что нагрузка по фазе не очень сильно меняется, она берет свое низким импедансом. Трудноватая нагрузка, одним словом. Что получается с искажениями? См. рис.7.

Почему я не измерял выше 15 кГц? Не потому, что боялся получить там плохие результаты, а потому, что на частоте 20 кГц я могу измерить только 4 высших гармоники. И все! Разве с ними получится приличная точность? А на 15 кГц я все же 6 гармоник измеряю. На других частотах еще больше — несколько десятков гармоник попали в расчет и были учтены!

Изначально емкость входного конденсатора С2 (по схеме в » Инвертирующий усилитель на TDA7293«) была 0,1 мкФ, чтобы он обрезал все частоты ниже 40 Гц — колонка их не воспроизводит, а только перегружается. Получилось так, как показано тонкими линиями на графике, то есть плохо. Кг на низких частотах растет со страшной силой. При включении параллельно С2 такого же (К10-7б) конденсатора емкостью 0,47 мкФ, искажения существенно уменьшились (толстые линии на графике). Почему так получилось — не могу сказать. Проблема требует отдельного изучения.

Рост искажений на высоких частотах понятен: снижается глубина ООС. Причем, обратите внимание, точки синего графика выше 1 кГц образуют прямую — насколько уменьшается глубина ООС, ровно настолько же растут искажения. Более сильный рост искажений на ВЧ при «трудной» нагрузке также понятен — на частоте 15 кГц сопротивление нагрузки становится меньше 3 Ом, да и фазовый сдвиг большой.

5. Немного про спектры.

Спектр первых 40 гармоник при работе на активную нагрузку показан на рис. 8.

Вообще говоря, спектры гармоник — важная штука, поскольку отражают характер нелинейности устройства. Величина Кг — это сумма всех искажений, где они оцениваются всей толпой. А ведь наверняка, чем больше присутствует гармоник высших порядков, тем хуже звучание. Вот только пока еще нет теории, которая точно и однозначно связала бы спектр гармоник с качеством звучания. На рисунке 9 показан спектр первых 62 гармоник на частоте 1 кГц, выходном напряжении 10 вольт эфф. и активной нагрузке 6 Ом. Причем четные и нечетные гармоники идут вместе:

Хорошо заметна этакая волнистость спектра. Наверняка она что-то означает. И вполне возможно, что такой спектр если даже и не позволит полностью оценить звучание усилителя, то укажет на какие-нибудь «неправильности». Например, аналогичная картинка для моего ресивера «Пионер», показывает монотонный спад безо всяких «волнистостей». И звучит он лучше… 

6. И еще…

Еще хорошим тестом на линейность является коэффициент интермодуляционных искажений (IMD). Только тот тест, который обычно проводят по распространенному «буржуйскому» стандарту (подают частоты 60 Гц и 7 кГц в соотношении 4:1 и смотрят модуляцию одного сигнала другим) очень щадящий. По нему всегда получаются такие хорошие цифирки!.. Для того и придуман. Я провел более жесткий тест: подал 2 частоты — 15 кГц и 16 кГц (это гораздо лучше в плане оценки качества, чем измерять Кг на частоте 20 кГц!!!) с суммарной амплитудой 6 вольт. Такой сигнал очень «неудобный» — ведь на высоких частотах глубина ООС маленькая, а нелинейность наоборот большая. А разностные тона попадают в область 1…3 кГц, где чувствительность слуха максимальна. Вот картинка для активной нагрузки 6 Ом:

Хорошо видно, что разностный сигнал частотой 1 кГц — не самый большой по амплитуде продукт интермодуляции. Максимум приходится на частоту 62 кГц — продукт 4-го порядка. Вообще, спектр довольно чистенький, больше загрязнен частотой 50 Гц и ее гармониками, нежели продуктами интермодуляции. Я посчитал значения IMD для трех типов нагрузки. Поскольку «Спектралаб» тут насчитал что-то ужасное (видимо для него ситуация нестандартная, и он в ней не разобрался), пришлось считать вручную, поэтому я ограничился интермодуляциями до 4-го порядка включительно (а их было немало!). Кстати, а продукты более высокого порядка имеют очень маленькую амплитуду, так что их отбрасывание общую картину не портит.

Таблица 4 . Интермодуляционные искажения

R = 6 Ом	R = 2,5 Ом	RLC (рис.6)
0,036%	0,046%	0,06%

Очень, очень хорошо!

7. Вдогонку (пару дня спустя).

«По многочисленным просбам трудящихся» я все же измерил Кг на частоте 20 кГц. Почему я не хотел этого делать?

1. Я уже писал — на частоте 20 кГц я могу измерить только 4 высших гармоники (а из рис.9 видно, что их по меньшей мере 64!), значит точность не высокая.
2. Я и так уже померял на частоте 15 кГц, которая практически такая же. Кроме того, я померял интермодуляцию, которая лучше показывает нелинейность.
3. На такой высокой частоте уже сильно сказывается «ступенчатость» сигнала: несмотря на частоту дискретизации 192 кГц на один период сигнала приходится 9…10 тактовых импульсов-ступенек (рис.11). Конечно, на выходе звуковой карты сигнал сглаживается, но не думаю, что там прямо уж 0% гармоник. Померял, у звуковой карты на частоте 20 кГц Кг=0,0022%.
4. На частоте 20 кГц сигнала-то практически и нет!

Бытует мнение, что строить сигнал такими ступеньками — неправильно. Здесь я не хочу об этом писать, но когда-нибудь напишу про это статью. Именно так и правильно! Такой в принципе сигнал должен быть на выходе ЦАП. Если он (ЦАП) использует предискретизацию и фильтрацию, то его сигнал будет более гладким, более похожим на синусоиду, но все равно, на все 100% ступеньки сгладить нельзя.

Итак, я измерил Кг на частоте 20 кГц при нескольких значениях нагрузки. Вот что получилось (рис.12):

На нагрузке со сравнительно большим сопротивлением Кг заметно меньше 0,1%. Такое интересное поведение графиков — при увеличении выходного напряжения Кг растет для высокоомной нагрузки и снижается для низкоомной скорее всего следствие работы выходного каскада в режиме класса АВ. На более низких частотах этот эффект может не проявляться из-за увеличения глубины ООС и быстродействия усилителя (тогда ограниченная скорость нарастания выходного напряжения влияет меньше).

Выводы.

1. Усилитель на микросхеме TDA7293 (TDA7294) очень хорошо переносит «трудную» нагрузку. Даже лучше (относительно лучше), чем некоторые именитые усилители.

2. Искажения, вносимые микросхемой малы, недаром кто-то (не помню кто) из «крутых» Hi-End’ных фирм использовал ее в своей продукции.

3. Но не все еще понятно и изучено — есть еще целое поле для исследований!

29.10.2007