• Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?

    (О снижении интермодуляционных искаженией и призвуков в громкоговорителях)

     

  • В настоящее время считается общепризнанным, что одним из требований к усилителю мощности является обеспечение неизменности его выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Иными словами, выходное сопротивление УМЗЧ должно быть невелико по сравнению с нагрузочным, составляя не более 1/10...1/1000 от модуля сопротивления (импеданса) нагрузки Zн. Эта точка зрения отражена в многочисленных стандартах и рекомендациях, а также в литературе. Специально введен даже такой параметр, как коэффициент демпфирования - Кd (или демпинг - фактор), равный отношению номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя Rвых ум. Так, при номинальном сопротивлении нагрузки, равном 4 Ом, и выходном сопротивлении усилителя 0,05 Ом Кd будет равен 80. Действующие ныне стандарты на аппаратуру Hi-Fi требуют, чтобы значение коэффициента демпфирования у высококачественных усилителей было бы не менее 20 (а рекомендуется - не менее 100). Для большинства транзисторных усилителей, имеющихся в продаже, Кd превышает 200.

      Доводы в пользу малого Rвых ум(и соответственно высокого Кd) общеизвестны: это обеспечение взаимозаменяемости усилителей и акустических систем, получение эффективного и предсказуемого демпфирования основного (низкочастотного) резонанса громкоговорителя, а также удобство измерения и сопоставления характеристик усилителей. Однако, несмотря на правомерность и обоснованность вышеприведенных соображений, вывод о необходимости такого соотношения, по мнению автора, принципиально ошибочен!

      Все дело в том, что этот вывод делается без учета физики работы электродинамических головок громкоговорителей(ГГ). Подавляющее большинство разработчиков усилителей искренне полагает, что все,что от них требуется - это выдать напряжение требуемой величины на заданном сопротивлении нагрузки с возможно меньшими искажениями. Разработчики громкоговорителей, в свою очередь, вроде бы должны исходить из того, что их изделия будут питаться от усилителей с пренебрежимо малым выходным сопротивлением. Казалось бы, все просто и ясно - какие тут могут быть вопросы?

      Тем не менее вопросы, и очень серьезные, имеются. Главным из них является вопрос о величине интермодуляционных искажений, вносимых ГГ при работе ее от усилителя с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением (источника напряжения или источника ЭДС). Второй вопрос касается величины и длительности призвуков,неизбежно возникающих в диффузоре ГГ при воспроизведении импульсных сигналов. "Какое отношение к этому может иметь выходное сопротивление усилителя? Не морочьте мне голову!" - скажет читатель.- И ошибется. Имеет, и самое прямое, несмотря на то, что факт этой зависимости упоминается крайне редко. Во всяком случае, не обнаружено современных работ, в которых бы рассматривалось это влияние на все параметры сквозного электроакустического тракта - от напряжения на входе усилителя до звуковых колебаний. При рассмотрении этой темы ранее почему-то ограничивались анализом поведения ГГ вблизи основного резонанса на на нижних частотах, тогда как не менее интересное происходит на заметно более высоких частотах - на пару октав выше резонансной частоты. Для восполнения этого пробела и предназначена эта статья. Надо сказать, что для повышения доступности изложение весьма упрощено и схематизировано, поэтому ряд "тонких" вопросов остался нерассмотренным. Итак, чтобы понять, как выходное сопротивление УМЗЧ влияет на интермодуляционные искажения в громкоговорителях, нужно вспомнить,какова физика излучения звука диффузором ГГ. Ниже частоты основного резонанса при подаче синусоидального напряжения сигнала на обмотку звуковой катушки ГГ амплитуда смещения ее диффузора определяется упругим противодействием подвеса (или сжимаемого в закрытом ящике воздуха) и почти не зависит от частоты сигнала. Работа ГГ в этом режиме характеризуется большими искажениями и очень низкой отдачей полезного акустического сигнала (очень низким КПД).

    На частоте основного резонанса масса диффузора вместе с соколеблющейся массой воздуха и упругостью подвеса образуют колебательную систему, аналогичную грузику на пружинке. КПД излучения в этой области частот близок к максимальному для данной ГГ. Выше частоты основного резонанса силы инерции диффузора вместе с соколеблющейся массой воздуха оказываются большими, чем силы упругости подвеса, поэтому смещение диффузора оказывается обратно пропорциональным квадрату частоты. Однако ускорение диффузора при этом теоретически не зависит от частоты, что и обеспечивает равномерность АЧХ по звуковому давлению. Следовательно, для обеспечения равномерности АЧХ ГГ на частотах выше частоты основного резонанса к диффузору со стороны звуковой катушки необходимо прикладывать силу постоянной амплитуды,как это следует из второго закона Ньютона (F = ma). Сила же, действующая на диффузор со стороны звуковой катушки, пропорциональна току в ней. При подключении ГГ к источнику напряжения V ток I в звуковой катушке на каждой частоте определяется из закона Ома: I(f) = V/Zг(f), где Zг(f) - зависящее от частоты комплексное сопротивление звуковой катушки. Оно определяется преимущественно тремя величинами: активным сопротивлением звуковой катушки Rг (измеряемым омметром), индуктивностью Lг. На ток влияет также и противо-ЭДС, возникающая при перемещении звуковой катушки в магнитном поле и пропорциональная скорости перемещения.

      На частотах заметно выше основного резонанса величиной противо-ЭДС можно пренебречь, поскольку диффузор со звуковой катушкой просто не успевают разогнаться за половину периода частоты сигнала. Поэтому зависимость Zг(f)выше частоты основного резонанса определяется в основном величинами Rг и Lг. Так вот, ни сопротивление Rг,ни индуктивность Lг особым постоянством не отличаются. Сопротивление звуковой катушки сильно зависит от температуры (ТКС меди около + 0,35%/ С),а температура звуковой катушки малогаборитных среднечастотных ГГ при нормальной работе изменяется на величину в 30...50 C, и причем весьма быстро - за десятки миллисекунд и менее. Соответственно сопротивление звуковой катушки, а следовательно, и ток через нее, и звуковое давление при неизменном приложенном напряжении изменяются на 10...15%, создавая интермодуляционные искажения соответствующей величины ( в низкочастотных ГГ, тепловая инерционность которых велика, разогрев звуковой катушки вызывает эффект термической компрессии сигнала).

      Изменения индуктивности еще более сложны. Амплитуда и фаза тока через звуковую катушку на частотах заметно выше резонансной в значительной мере определяются величиной индуктивности. А она очень сильно зависит от положения звуковой катушки в зазоре: при нормальной амплитуде смещения для частот, лишь немногим больших, нежели частота основного резонанса, индуктивность изменяется на 15...40% у различных ГГ. Соответственно при номинальной мощности, подводимой к громкоговорителю, интермодуляционные искажения могут достигать 10...25%. Однако существует способ резко уменьшить описанные выше искажения, вызванные непостоянством импеданса головки громкоговорителя. Для этого усилитель, работающий на громкоговоритель, должен иметь выходное сопротивление, много большее, чем составляющие импеданса Rг и Хг (2пfLг) ГГ. Тогда их изменения практически не будут оказывать влияния на ток в звуковой катушке, а следовательно, исчезнут и искажения, вызванные этими изменениями. С целью демонстрации эффективности такого метода снижения искажений измерительная установка была дополнена резистором сопротивлением 47 Ом (т.е. на порядок больше модуля импеданса исследуемой ГГ), включенным последовательно с ГГ. Для сохранения прежней величины звукового давления уровни сигнала на выходах усилителей были соответственно увеличены. Эффект перехода на токовый режим очевиден из сравнения соответствующих осциллограмм: паразитная модуляция высокочастотного сигнала на экране нижнего осциллографа значительно меньше и еле видна, величина ее не превышает 2...3% - налицо резкое снижение искажений ГГ.

      Знатоки могут возразить, что для уменьшения непостоянства импеданса звуковой катушки существует множество способов: это и заполнение зазора охлаждающей магнитной жидкостью, и установка медных колпачков на керны магнитной системы, и тщательный подбор профиля керна и плотности намотки катушки, а также многое другое. Однако все эти методы,во-первых,не решают проблему в принципе, а во-вторых, приводят к усложнению и к удорожанию производства ГГ, вследствие чего не находят полного применения даже в студийных громкоговорителях. Именно поэтому большинство среднечастотных и низкочастотных ГГ не имеет ни медных колпачков, ни магнитной жидкости (в таких ГГ при работе на полной мощности жидкость нередко выбрасывается из зазора).

      Следовательно, питание ГГ от высокоомного источника сигнала (в пределе - от источника тока) является полезным и целесообразным способом снижения их интермодуляционных искажений, особенно при построении многополосных активных акустических систем. Демпфирование основного резонанса при этом приходится выполнять чисто акустическим путем, поскольку собственная акустическая добротность среднечастотных ГГ, как правило, значительно превышает единицу, достигая 4...8.

      Любопытно, что именно такой режим "токового" питания ГГ имеет место в ламповых УМЗЧ с пендотным или тетродным выходом при неглубокой (менее 10 дБ) ООС, особенно при наличии местной ООС по току в виде сопротивления в цепи катода.

      В процессе налаживания такого усилителя его искажения без общей ООС обычно оказываются в пределах 2...5% и уверенно заметны на слух при включении в разрыв контрольного тракта (метод сравнения с "прямым проводом"). При этом после введения ООС звучание явно улучшается. Однако после подключения усилителя к громкоговорителю обнаруживается, что по мере увеличения глубины обратной связи звучание сначала улучшается,а затем происходит потеря его детальности и прозрачности. Особенно четко это заметно в многополосном усилителе, выходные каскады которого работают непосредственно на соответствующие головки громкоговорителя без каких-либо фильтров.

      Причина этого, на первый взгляд, парадоксального явления в том, что при увеличении глубины ООС по напряжению выходное сопротивление усилителя резко снижается. Негативные последствия питания ГГ от УМЗЧ с малым выходным сопротивлением рассмотрены выше. В триодном усилителе выходное сопротивление, как правило,намного меньше, чем в пентодном или тетродном, а линейность довведения ООС выше, поэтому введение ООС по напряжению, конечно,улучшает характеристики отдельно взятого усилителя, но вместе с тем еще более ухудшает работу головки громкоговорителя. Как следствие, в результате введения ООС по выходному напряжению в триодный усилитель звук, действительно, может становиться хуже, несмотря на улучшение характеристик собственно усилителя! Этот эмпирически установленный факт служит неиссякаемой пищей для спекуляций на тему вреда от применения обратных связей в звуковых усилителях мощности, а также рассуждений об особой, ламповой прозрачности и естественности звучания. Однако из вышерассмотренных фактов со всей очевидностью следует, что дело не в наличии (или отсутствии) самой по себе ООС, а в результирующем выходном сопротивлении усилителя. Вот где "собака зарыта"!

      Cтоит сказать несколько слов об использовании отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ. Да,положительная обратная связь (ПОС) по току помогает задемпфировать ГГ на частоте основного резонанса и уменьшить мощность, рассеиваемую на звуковой катушке. Однако за простоту и эффективность демпфирования приходится платить возрастанием влияния индуктивности ГГ на ее характеристики, даже по сравнению с режимом работы от источника напряжения. Это вызвано тем, что постоянная времени Lг/Rг заменяется на большую, равную Lг/[Rг+(-Rвых ум)]. Соответственно понижается частота, начиная с которой, в сумме импедансов системы "ГГ+УМЗЧ" начинает доминировать индуктивное сопротивление. Аналогично увеличивается и влияние тепловых изменений активного сопротивления звуковой катушки: сумма изменяющегося сопротивления звуковой катушки и неизменного отрицательного выходного сопротивления усилителя в процентном отношении изменяется сильнее. Конечно, если Rвых ум по абсолютной величине не превышает 1/3...1/5 от активного сопротивления обмотки звуковой катушки,потеря от введения ПОС невелика. Поэтому слабую ПОС по току для небольшого дополнительного демпфирования или для точной подстройки добротности в низкочастотной полосе применять можно. Кроме того, ПОС по току и режим источника тока в УМЗЧ не совместимы между собой, вследствие чего токовое питание ГГ в низкочастотной полосе, к сожалению, оказывается не всегда применимым. C интермодуляционными искажениями мы, видимо, разобрались.Теперь осталось рассмотреть второй вопрос - величину и длительность призвуков, возникающих в диффузоре ГГ при воспроизведении сигналов импульсного характера. Этот вопрос гораздо сложнее и "тоньше".

      Как известно, диффузоры ГГ можно считать бесконечно жесткими только в очень грубом приближении. На самом же деле они при колебаниях существенно изгибаются, причем весьма причудливым образом. Это связано с наличием большого числа паразитных резонансных частот диффузора и подвижной системы ГГ в целом. После прохождения импульсного сигнала свободные колебания на каждой из резонансных частот затухают не сразу, порождая призвуки, окрашивают звучание и скрадывают ясность и детальность, ухудшая стереоэффект.

    Для исключения этих призвуков теоретически есть две возможности. Первая - это сдвинуть все резонансные частоты за пределы рабочего диапазона частот, в область далекого ультразвука ( 50...100 кГц ). Этим способом пользуются при разработке маломощных высокочастотных ГГ и некоторых измерительных микрофонов. Применительно к ГГ - это способ "жесткого" диффузора.

    Вторая возможность - это снижение добротности паразитных резонансов, с тем чтобы колебания затухали настолько быстро, что их нельзя услышать. Для этого необходимо применение "мягких" диффузоров, потери при изгибах которых настолько велики, что добротность паразитных резонансов оказывается близка к единице. Однако нелинейные искажения и максимальное звуковое давление ГГ с "мягким" диффузором оказываются несколько хуже, чем у ГГ с "жестким" диффузором. С другой стороны, ГГ с "мягкими" диффузорами, как правило, значительно выигрывают по ясности, неокрашенности и прозрачности звучания.

      Так вот, возможен и третий вариант - использование ГГс относительно "жестким" диффузором и введение ее акустического демпфирования. В этом случае удается в некоторой мере совместить достоинства обоих подходов. Именно таким образом чаще всего строятся студийные контрольные громкоговорители (большие мониторы).

      Естественно, что при питании демпфированной ГГ от источника напряжения из-за резкого падения полной добротности основного резонанса существенно искажается АЧХ. Источник тока в этом случае также оказывается предпочтительнее, поскольку способствует выравниванию АХЧ одновременно с исключением эффекта термической компрессии.

      Что же касается призвуков,возникающих из-за свободных колебаний диффузоров ГГ, то, поскольку паразитные резонансные частоты расположены, как правило, намного выше частоты основного резонанса, режим работы ГГ - с источником тока или напряжения - практически никакого влияния на них не оказывает. Единственный прямой способ борьбы с паразитными резонансами - акустическое демпфирование. Однако вероятность их возбуждения при питании ГГ от источника тока оказывается меньшей, поскольку эти резонансы становятся наиболее заметными при их возбуждении продуктами искажений. Как абсолютные, так и относительные амплитуды этих продуктов искажений для этого режима работы ГГ оказываются существенно меньше.

      Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие практические выводы.

    1. Режим работы головки громкоговорителя от источника тока (в противоположность источнику напряжения) обеспечивает существенное снижение интермодуляционных искажений, вносимых самой головкой.

    2. Наиболее целесообразный вариант конструкции громкоговорителя с низкими интермодуляционными искажениями - активный многополосный, с разделительным фильтром (кроссовером) и отдельными усилителями на каждую полосу.Впрочем, этот вывод справедлив независимо от режима питания ГГ.

    3. Работа головок от источников тока вызывает необходимость акустического демпфирования их основного резонанса, вследствие чего попутно достигается и некоторое демпфирование паразитных резонансов подвижной системы.Это улучшает импульсные характеристики громкоговорителя и способствует устранению дополнительной окраски звучания.

    4. С целью получения высокого выходного сопротивления усилителя и сохранения малой величины его искажений следует применять ООС не по напряжению,а по току.

      Конечно,предлагаемый метод снижения искажений не является панацеей.Кроме того,в случае использования готового многополосного громкоговорителя осуществление токового питания его отдельных ГГ без переделки невозможно.Попытка же подключения многополосного громкоговорителя в целом к усилителю с повышенным выходным сопротивлением (как к генератору тока) приведет не столько к снижению искажений, сколько к резкому искажению АЧХ и соответственно сбою тонального баланса.

      Тем не менее снижение интермодуляционных искажений ГГ почти на порядок, причем столь доступным методом, явно заслуживает достойного внимания.

     


     

     Заметки:

    1)режим генератора тока далеко не всегда оптимален,т.к.КНИ динамиков ориентировочно пропорционален квадрату мощности,и при использовании динамиков невысокого качества(что обычно и бывает) и отсутствии электрического демпфирования(при работе в режиме генератора тока)и работе на мощностях,близких к предельным все многочисленные призвуки и резонансы такого динамика становятся уверенно заметными,и некоторое уменьшение выходного сопротивления обычно улучшает общее качество звучания.(назад)

    2)как показывает практика,это проблема не столь велика.Естественно,разделительные фильтры обычно рассчитываются для работы от источника напряжения,и при работе от генератора тока частота раздела смещается,также импеданс многополосных АС зачастую повышается на высоких частотах,т.к. сопротивление ВЧ-излучателей обычно выше низко- и среднечастотных громкоговорителей,что тоже влечет повышение отдачи на этих частотах.Но в реальных условиях эта проблема не столь велика,и еще ни разу не потребовалось корректировать разделительные фильтры(тем более что зачастую АЧХ профессиональных многополосных систем далека от идеальной).(назад)

    3)применение режима "чистого" генератора тока (когда Rвых>25 Ом) в многополосных системах,когда усилитель работает только на одну или несколько головок, обычно приводит к значительному ухудшению качества звучания в среднечастотном звене,т.к.индуктивная составляющая импеданса среднечастотных динамиков начинает играть заметную роль с 800-1500 Гц,что в свою очередь ведет к соответствующей амплитудной реакции и кроме выделения многочисленных резонансов и призвуков динамиков зачастую приводит к скоростной и амплитудной перегрузке усилителей. (назад)

    вернуться к исходной странице