3. Искажения Сигнала.
3.1. Некоторые общие представления о звучании ламповых приборов.
Сегодня большинство усилителей низкой частоты делается на базе транзисторных или интегральных схемотехнических решений. Это не удивительно: современные полупроводниковые технологии обладают серьёзными преимуществами по отношению к ламповым. В данном вопросе следует рассматривать исключительно научные аспекты, не касаясь изотерических доводов и описаний любителей «тёплого лампового звука».
Электронные лампы характеризуются дробовым шумом, который очень слабо выражен в полупроводниках.
Электронные лампы нуждаются в подогреве катода. Помимо дополнительных затрат мощности, цепи накала создает паразитные связи между каскадами и является причиной так называемого гудения — возникновения колебаний тока анода под действием переменного магнитного поля, создаваемого нитью накала.
Блоки питания ламповых устройств достаточно дороги и подают на схему очень высокие напряжения, опасные для человека.
Электронные лампы, особенно мощные, характеризуются малым сроком службы.
Следует отметить так же относительную хрупкость и чувствительность к вибрациям у электронных ламп.
Несмотря на эти недостатки можно выделить ряд достоинств ламповых решений.
Электронные лампы, особенно триоды, имеют очень широкий линейный участок ВАХ, что позволяет отказаться от отрицательной обратной связи по переменному току или снизить ее глубину. Транзисторы, в особенности биполярные, обладают большей нелинейностью, из-за чего в аудиоаппаратуре применяются только с отрицательной обратной связью (ООС)7 либо с местной ООС, охватывающей один каскад и, как правило, с общей ООС, охватывающей весь усилитель.
ВАХ электронных ламп практически не зависит от температуры окружающей среды (так как температура накаленного катода существенно выше), следовательно, не нуждаются в глубокой ООС по постоянному току для стабилизации режима каскада.
Электронные лампы, особенно пентоды, характеризуются очень высокими коэффициентами усиления, что позволяет строить усилители с малым числом каскадов (2 — 3), что снижает общий уровень искажений.
Неубедительные преимущества, не так ли? Все существенные достоинства лампового усиления сводятся к отсутствию потребности в ООС, которая, хоть и улучшает линейность спектра, субъективно, ухудшает звучание. Исследование причин такого явления выявило, что ООС является причиной возникновения интермодуляционных искажений, вызванных запаздыванием повторного прохождения сигнала через обратную связь.
Так почему же ламповые приборы до сих пор востребованы на студиях звукозаписи и концертных площадках? Ответ кроется в искажениях, которые гораздо более приятны на слух у ламповых приборов, чем у аналогичных полупроводниковых.
3.2. Нелинейные искажения, вызванные перегрузкой тракта.
Введём усилитель на триоде в режим, при котором рабочая точка располагается не посередине линейного участка вольт-амперной характеристики, а на треть дальше от зоны насыщения (Рис. 8).
Рис.8
120К нагрузка с рабочей точкой на 136в/1,158мА
При работе в таком режиме сигналы с большой амплитудой (близко к напряжению смещения) начнут одной полуволной заходить в нелинейный участок характеристики. В этом случае эта полуволна будет усиливаться лампой слабее, чем другая. Это приведёт к мягкому компрессированию сильных сигналов, что является искажением, приятным на слух. Но это будет происходить только до тех пор, пока сетка отрицательна относительно катода - далее произойдёт более резкое ограничение полуволны сигнала. Наступает ситуация, когда напряжение на входе растёт, а сетка перестала отталкивать электроны из-за того, что имеет положительный потенциал относительно катода. Форма волны сигнала на выходе имеет сильно искажённый вид относительно входного сигнала и больше не является его усиленной копией.
Рис. 9 Отношения между входом на сетке и выходом на аноде.
Компрессия (левый гр.), перегрузка анода и сетки (правый гр.)
Существует ещё один вид искажений – анодные. Они возникают, когда напряжение на аноде, выделяемое на анодном резисторе при прохождении через него анодного тока, превышает напряжение питание анода. На рис. 9, правом графике, напряжение питания анода обозначается как B+.
То есть входной сигнал ограничивается напряжением смещения, а выходной сигнал - напряжением питания анода. Выход сигналов за эти ограничения и порождает перегруженное звучание триода.
Все три вида искажений – компрессия, сеточные и анодные искажения имеют разное звучание и используются в разных комбинациях при проектировании современных ламповых устройств.8
Многие ламповые устройства, использующие «минималистские» схемотехнические решения (особенно на базе триодов), преимущественно генерируют искажения с чётными гармониками. А вот искажения с нечётными гармониками (например, это преобладающий тип искажений у магнитной аналоговой ленты), часто придают звуку оттенки, которые описываются как «грубые», «резкие», «песочные» или «острые». Однако, умеренное количество таких гармоник часто связывается и с такими понятиями, как «богатство» и «глубина» звука.
Высокие гармоники, созданные аналоговым искажением, часто придают звуку песочный тембр и воспринимаются не особо музыкально – но LP-фильтр (или обрезной фильтр высоких частот) может привести к более благоприятным для слуха результатам. В гитарных усилителях такая фильтрация происходит сама собой, поскольку у многих динамиков есть тенденция к довольно крутому завалу в областях выше 4 кГц. Если убрать кабинет, то высокие гитарные частоты будут звучать как оса в бумажном стаканчике!