Zesilovače a pomalá impulzní odezva


Zesilovače poskytují tím kvalitnější zvuk, čím širší kmitočtové pásmo dovedou přenést v neslyšitelné nadzvukové oblasti a čím účinněji potlačují obtížné nežádoucí rezonance a překmity připojených reproduktorů. Dnes převažující zesilovače s velmi složitými obvody mají v signálové cestě příliš mnoho součástek natáčejících fázi signálu. Nestabilita tím způsobená se korekčními členy potlačí jen za cenu omezení důležitého nadzvukového pásma a zpomalení impulzní odezvy. To se však projeví i ve slyšitelném pásmu vinou většinou nevhodně navržené zpětné vazby, která nestačí dostatečně rychle sledovat tranzienty (hudební signály impulzní povahy), zesilovač na ně reaguje se zpožděním. Při něm je zesilovač bez zpětné vazby (tedy neřízený) a jeho vnitřní obvody jsou přetíženy. Tím vzniká rušivé tranzientní intermodulační zkreslení (TIM nebo taky SID), které daleko přesněji vyjadřuje zvukové kvality zesilovače než běžně udávané celkové harmonické zkreslení (THD), a staticky měřené intermodulační zkreslení (IMD). TIM se ve zvuku projevuje hlavně nepřesnou reprodukcí impulzních nástrojů (např. kytary, bicích a piana), v souzvuku ztrátou čitelnosti jednotlivých hlasů a zvukové průzračnosti a také unavujícím zvukem při déletrvajícím poslechu.



Zesilovače a nedostatečné tlumení reproduktorů


Přirozeně menší stabilita složitých zesilovačů nedovoluje zavést z výstupu na vstup dostatečně účinnou zpětnou vazbu. Z toho vyplývá příliš malý činitel tlumení a jemu úměrný značný výstupní odpor, který nemůže v potřebné míře potlačit nežádoucí rezonance a překmity připojených reproduktorů. Některé zesilovače (např. DPA, AU/RA a BVaudio) mají díky neobyčejně účinné zpětné vazbě rekordně velký, kmitočtově nezávislý činitel tlumení a tudíž nepatrný výstupní odpor, že představují prakticky zkrat připojených reproduktorů. Jejich přirozené rezonance a překmity, které vznikají zejména při impulzních signálech, jsou tímto zkratem potlačeny na zcela neškodnou úroveň.



Zesilovače a zvýšené zkreslení při tiché reprodukci


Nezkušenému oku lahodící hodnoty harmonického a intermodulačního zkreslení (THD a IMD) běžně a zcela záměrně u většiny zesilovačů udávané jen při velkém výkonu nic neříkají o výkonech řádově desítek miliwattů a menších, které jsou skutečně kritické. Při takto nízkých výstupních výkonech zpravidla rostoucí a velmi rušivé přechodové zkreslení vnímavého posluchače znepokojuje tím více, čím tišší je reprodukce.



Další sledované technické parametry nf zesilovačů


Výstupní výkon
Otázku, jaký výkon zesilovače zvolit, je nutno upřesnit o požadavek, jak "věrnou" reprodukci požadujeme. Jinými slovy, jakého maximálního akustického tlaku v daném poslechovém prostoru potřebujeme dosáhnout. Chceme-li např. reprodukovat symfonický orchestr v plné dynamice, musí být reprodukční řetězec schopný dodat maximální akustický tlak asi 115 až 120dB a totéž samozřejmě platí i pro reprodukci hudby populární (hlavně její rockové formy). Protože jsou známy typické citlivosti reproduktorových soustav (citlivost charakterizuje schopnost "hrát nahlas i s méně výkonným zesilovačem", čím větší citlivost, tím menší nároky na výkon zesilovače), tj. asi 85 až 90 dB/1 Watt pro domácí soustavy, asi 95 dB/1 Watt pro kvalitní studiové soustavy a asi 100 až 105 dB/1 Watt pro soustavy využívané v PA systémech, lze snadno spočítat nutné výkony připojovaných zesilovačů. Potřebné výstupní výkony jsou proto asi 100 až 200 Wattů pro první případ, 30 až 50 Wattů pro druhý a 10 až 20 Wattů pro třetí případ. Údaje o citlivosti platí pro vzdálenost měřicího mikrofonu 1 metr od reprosoustavy (bývá umisťován do osy výškového měniče) a protože platí, že akustický tlak klesá se vzdáleností od jeho zdroje, musíme druhý i třetí případ brát pouze teoreticky, neboť zde bývají poslechové vzdálenosti větší a zesilovač musí být proto patřičně dimenzován (a to nemluvím o reprokabelech).

Zesilovače o výkonu 100 Wattů na kanál lze proto považovat pro špičkovou domácí reprodukci za naprosté minimum. Někomu to může připadat jako přehnaný požadavek, je třeba si ovšem uvědomit, jaká je dynamika běžné hudební nahrávky. Při normálně komprimované nahrávce jsou dynamické špičky signálu zpravidla asi 10 až 15 dB nad střední úrovní záznamu. U digitálního záznamu, který má větší využitelnou dynamiku, mohou být tyto špičky i vyšší (záznam není třeba tolik komprimovat). Bude-li tedy zesilovač o výkonu 100 Wattů schopen tento signál přenést bez limitace, bude střední hodnota výstupního výkonu jen asi 1 Watt. Vybavíte-li zesilovač indikátorem limitace, který bude detekovat i velmi krátké špičky, budete překvapeni, při jak malé subjektivní hlasitosti bude u tohoto stowattového zesilovače indikovat. Požadavek přenesení velké dynamiky signálu vede proto ke konstrukcím zesilovačů o výkonu 300 až 500 Wattů na kanál nebo zesilovačů speciálně řešených tak, aby jejich hudební výkon byl 3x až 5x vyšší než výkon jmenovitý.


Zkreslení
Žádný zesilovač není ideální, každý více či méně zkresluje. Zkreslení jsou různého druhu a na každé z nich je lidské ucho jinak citlivé. Nejméně citlivé je na zkreslení tvarové (harmonické), záleží ovšem nejen na absolutní velikosti tohoto zkreslení, ale i na poměru jeho jednotlivých harmonických složek. Zdá se, že ucho není příliš citlivé na nižší harmonické kmitočty (2. a 3. harmonický kmitočet), neboť je vnímá jako “přirozený“ signál. To někdy může vést při poslechovém testu k paradoxní situaci, že zesilovač takto zkreslující je hodnocen zvukově lépe než zesilovač se zkreslením třeba o jeden až dva řády nižším. Zesilovače elektronkové, které mívají tento druh zkreslení zpravidla dominantní, bývají proto často hodnoceny jako “muzikální“ a “teple znějící“, což ovšem nemá s “věrnou“ reprodukcí nic společného. Na vyšší harmonické frekvence je lidské ucho již citlivější a příjemné mu příliš nejsou, proto zesilovač, který zkresluje spíše vyššími harmonickými kmitočty, je při poslechu hodnocen hůře než jeho protivník, jehož zkreslení je sice třeba absolutně větší, ovšem je tvořeno nižšími harmonickými frekvencemi.

Zpracovává-li se více kmitočtů najednou (což je samozřejmě případ hudebního signálu), dochází vlivem nelinearity zesilovacích součástek ke směšování (sčítání a odečítání) těchto kmitočtů (intermodulační zkreslení). Signál zatížený tímto druhem zkreselní nemá harmonický charakter a lidské ucho jej proto vnímá velmi citlivě.

Zkreslení přechodové vzniká u zesilovačů třídy B a AB. Nemá harmonický charakter a protože bývá zpravidla dominantní složkou celkového zkreslení, je na něj ucho velmi citlivé. Popis vzniku uvedu dále. Podobný charakter má, subjektivně vnímáno, i zkreslení při “lehké“ limitaci reprodukovaného signálu.

Zkreslení tranzientní vzniká u vícestupňových zesilovačů (což jsou vlastně všechny výkonové zesilovače), svázaných celkovou zpětnou vazbou, když při návrhu zapojení nebyla respektována různá rychlost jednotlivých zesilovacích součástek. Přesný popis vzniku uvedu dále.


Rychlost přeběhu (Slew Rate – SR)
Rychlost přeběhu zesilovače vyjadřuje maximální dosažitelnou změnu velikosti výstupního napětí za danou časovou jednotku. Bývá zpravidla udávána ve voltech za mikrosekundu. Tento údaj vlastně nepřímo vyjadřuje výkonovou šířku pásma zesilovače, případně i fázový posun na horním konci přenosové charakteristiky. Obecně platí, že čím má zesilovač větší výkon (neboli čím je větší výstupní napětí), tím by měl mít větší i rychlost přeběhu.


Odstup rušivých signálů
Zavedení digitálního záznamu, zvláště pak jeho dosažené odstupy šumu a rušivých napětí si vynutilo zvýšenou pozornost věnovanou tomuto parametru i u výkonových zesilovačů. Protože ale nominální citlivosti těchto stupňů nebývají příliš velké, nečiní dosažení srovnatelného odstupu zpravidla potíže. Při vlastním konstrukčním návrhu jsou nejčastěji problémy s odstupem brumu, ať již indukovaným nebo vzniklým díky zemním smyčkám. Zásady správného návrhu popíšu dále.


Vstupní impedance
Vstupní impedance výkonových zesilovačů se postupně během let snižovala. Původní velikosti v řádu stovek kiloohmů až jednotek megaohmů se ukázaly jako zbytečně velké a přinášející spíše problémy (zesilovač je více citlivý na indukovaný brum a průnik vysokofrekvenčního signálu). Současné typické hodnoty jsou proto řádově v jednotkách až desítkách kiloohmů (doporučená hodnota IEC je 10 kiloohmů), v některých případech i menší (až 50 Ohmů). Souvisí to se zkvalitňováním předzesilovacích stupňů, zejména se zavedením monolitických operačních zesilovačů, jejichž výstupní impedance je velmi malá a není proto problém, aby pracovaly do malé zátěže.


Výstupní impedance
Výstupní impedance moderních zesilovačů je velmi malá, typicky řádově až v jednotkách miliohmů. Výrobce ji někdy uvádí jako faktor tlumení (damping factor), což je vyjádření poměru mezi výstupní a zatěžovací impedancí. Je kmitočtově závislá, směrem k vyšším kmitočtům se zvětšuje.


Druhy provozu (třídy) zesilovačů
Základním druhem provozu zesilovače je třída A, kdy je pracovní bod výkonových tranzistorů zvolen tak, aby klidový proud koncového stupně byl roven maximálnímu výstupnímu proudu. Výstupní součástky proto pracují s velkou trvalou ztrátou, účinnost zesilovače je malá, což je ovšem jeho jediná nevýhoda. V tomto pracovním režimu zcela odpadá problém s přechodovým zkreslením, výkonové součástky pracují v oblasti velkých proudů, mají proto dobrou linearitu a jejich vlastní zkreslení je proto malé. Napájecí napětí v závislosti na vybuzení nekolísá, budící stupeň může mít stabilizované napájení, což je výhodné z hlediska odstupů rušivých napětí a zkreslení. Zesilovače takto řešené jsou ovšem velmi nákladné, neboť musí mít podstatně více dimenzované síťové transformátory a mnohem větší filtrační kapacity ve zdroji. Mnohem rozměrnější (a tím i dražší) musí být i použité chladiče. Tato koncepce zvítězila proto pouze u těch opravdu exkluzivních a drahých přístrojů.

Mnohem lepší účinnost mají zesilovače pracující ve třídě B, popř. třídě AB. Nevýhodou je ovšem vznik přechodového zkreslení, jehož eliminace je velmi těžko řešitelným problémem. S elegantním řešením, které spojilo výhody třídy A (přechodové zkreslení) a třídy B (účinnost), přišla před asi patnácti lety firma Treshold. Jejich koncepci nazývanou třída A+ nebo také Stasis převzaly po zakoupení licence (asi velmi drahé) i firmy Technics a Nakamichi.


obr01.gif (17173 bytes)


Princip zapojení (viz obr. 1) je v podstatě velmi jednoduchý. V zesilovači jsou dva zdroje napájecího napětí. Velkým napětím je napájen napěťový zesilovač prvního stupně a výkonový zesilovač druhého stupně. Malým napětím je napájen proudový zesilovač (výstupní obvody) prvního stupně. Zdroj malého napětí nemá uzemněný střed, který je místo toho zapojen na výstup druhého výkonového zesilovače. Zesilovač proudu pracuje ve třídě A, nemá proto přechodové zkreslení, ale protože je napájen jen malým napětím, je ztrátový výkon malý. Střed zdroje malého napětí je soufázově se vstupním signálem “posouván“ výstupem druhého výkonového zesilovače, který pracuje ve třídě B. Jinými slovy, zdroje malého a velkého napětí jsou vlastně zapojeny do série, takže výstupní napětí prvního zesilovače je stejné jako výstupní napětí zesilovače druhého a není limitováno malým napájecím napětím proudového zesilovače. Podmínkou je ovšem zcela přesná fázová charakteristika obou zesilovačů. Výsledkem je jen nepatrně zhoršená účinnost oproti třídě B, nevýhodou je větší složitost zapojení a větší (vlastně dvojnásobné) náklady. Většímu rozšíření (kromě ekonomických důvodů) pravděpodobně zabránila licenční politika autorské firmy.

Jinými způsoby řešení eliminací přechodového zkreslení se zabývali především japonské firmy. Principy zpravidla spočívaly v zavedení lokálních zpětných vazeb, kladných, záporných i kombinovaných, měnících klidový proud nesymetricky v obou větvích zesilovače. Tato problematika je ale již dosti složitá, proto se o ní nebudu podrobněji rozepisovat (ostatně se ani necítím dostatečně znalým).

Za nejlepší princip osobně považuji obvodové řešení v angličtině označované jako “Error Correction“, jehož autorem není kupodivu Japonec, ale Angličan, pan Hawksfort. Jeho články a myšlenky jsou vždy naprosto dokonalé a doporučuji proto se na toto jméno v dostupné literatuře soustředit. Chybová korekce spočívá v použití lokální zpětné vazby, eliminující přechodové zkreslení v samotném místě jeho vzniku, tj. ve výstupním a budícím obvodu. Popisované řešení je natolik účinné, že zmenší toto zkreslení minimálně o jeden řád.

Požadavek na zvětšení hudebního výkonu vedl ke konstrukcím zesilovačů označovaných jako třída G. Princip je odvozen ze statického vyhodnocování přirozeného hudebního signálu, přesněji řečeno z vyhodnocování poměru střední a špičkové úrovně, případně z časového rozložením špičkových úrovní. Vychází se při něm z poznatku, že špičky “ční“ ze signálu poměrně osamoceně. Je proto zbytečné zesilovač dimenzovat na sinusový výkon jejich úrovně, když je střední hodnota hudebního signálu mnohem nižší. Zesilovač je proto řešen tak, že jeho koncové tranzistory jsou zapojeny do série a do série jsou zapojeny i napájecí zdroje (v každé větvi). Při malých výstupních úrovních je energie čerpána ze zdroje s nižším napětím a výstupní proud prochází jen spodním tranzistorem. Při vyšších výstupních napětích se otevře i tranzistor horní a energetická špička čerpá energii ze zdroje vyššího napětí. Tento zdroj musí mít proto velkou filtrační kapacitu (akumulátor energie), ale vinutí napájecího transformátoru může mít malý průřez (čili velký vnitřní odpor). Prodleva mezi špičkami, která je vždy dostatečně velká, dovolí znovu nabít filtrační kondenzátory. Síťový transformátor může být proto malý (a relativně levný). Při přechodu do sepnutí vyššího napájení vzniká ale bohužel jisté zkreslení, které je podobné zkreslení přechodovému. Není sice tak slyšitelné, neboť je maskováno větší úrovní, ale právě z tohoto důvodu zesilovače řešené popsaným způsobem do vyšší kategorie nepronikly. Ze známých firem používá tento princip například firma Carver, která navíc používá v napájecím zdroji ještě jednu “fintu“, o které se ale zmíním dále.

Posledním řešením je spínací zesilovač se šířkovou modulací. Princip je myslím dostatečně znám, nebudu se proto jeho popisu věnovat. Výhodou je vysoká energetická účinnost a z ní plynoucí malé rozměry přístrojů, čehož se s výhodou využívá u mobilních ozvučovacích aparatur. Nevýhodou jsou problémy s dostatečným odstíněním vysokofrekvenčního vyzařování, které tyto přístroje produkují, případně i relativně velké zkreslení na vysokých kmitočtech. Princip bude pravděpodobně v budoucnosti dále rozvíjen, až budou k dispozici výkonové spínače s ještě kratšími spínacími časy.



Vlastní obvodová řešení


Výkonový zesilovač má zpravidla blokové schéma, které vidíme na obr. 2.


obr02.gif (24060 bytes)


Prvním stupněm je vstupní zesilovač, řešený zpravidla jako diferenciální, druhým stupněm je napěťový zesilovač, dalším pak obvod pro nastavení a stabilizaci klidového proudu koncového stupně. Následuje pojistka pro omezení maximálního výstupního proudu a konečně vlastní zesilovač proudu. Celý zesilovač je pak svázaný napěťovou nebo proudovou zpětnou vazbou.


Vstupní zesilovač
Hlavní požadavky na vstupní zesilovač výkonového stupně jsou zhruba následující :

Z běžných zapojení těmto požadavkům nejlépe vyhoví diferenciální zesilovač osazený bipolárními křemíkovými tranzistory s velkým zesilovacím činitelem, o něco méně vhodné jsou tranzistory řízené polem a to ještě jen ty typy s velkou strmostí. Linearita diferenciálního zesilovače osazeného moderními křemíkovými tranzistory zpravidla vyhovuje, ale pro opravdu nejvyšší nároky lze tento parametr vhodným zapojením dále vylepšit. Pro dobrou rychlost tohoto stupně volíme vhodný pracovní bod nebo spíše větší pracovní proud (řádově jednotky miliampér). Zvětšuje se tím zpravidla i šum, ale to při dané citlivosti výkonového zesilovače příliš nevadí. Mnoho moderních výkonových zesilovačů používá tzv. celosymetrické zapojení (zesilovací řetězec není komplementární jen ve výstupní a budící části, ale i v předchozích stupních). Toto řešení má jednu velkou výhodu a tou je, že vstupní rozkmitové stupně pracují s tranzistory komplementárními a jsou proto z hlediska stejnosměrného napětí zapojeny sice v sérii, protože ale pracují v třídě A, z hlediska střídavého signálu pracují paralelně. Použijeme-li proto na patřičných zrcadlových místech součástky se stejnými parametry, bude tímto způsobem velmi dobře potlačeno vzniklé zkreslení, neboť to se sečtením signálu obou větví vyruší. Jako vstupní zesilovač je možné použít i dobrý monolitický operační zesilovač. Zdůrazňuji dobrý zesilovač, s vlastním zkreslením v řádu jednotek tisícin procenta a menším.


Napěťový zesilovač
Úkolem napěťového zesilovače je zesílení vstupního napětí na úroveň potřebnou k plnému otevření výkonových tranzistorů. Musí být navržen tak, aby měl dobrou linearitu, vysokou rychlost přeběhu a malou výstupní impedanci. Spolu se vstupním zesilovačem musí mít tento stupeň vysoký zisk naprázdno, případně i velkou šířku přenášeného pásma. Podmínku vysokého zisku naprázdno lze snadno splnit na nízkých kmitočtech. Se zvyšováním frekvence signálu ovšem přicházejí problémy. Zatěžovací impedance následujícího stupně nemá pouze reálnou složku, ale také velkou složku kapacitní (kapacita přechodů BE, kapacita plošných spojů). Současně se začnou uplatňovat i zpětnovazební (Millerovy) kapacity samotného napěťového zesilovače. Výsledkem je postupný pokles zisku směrem k vyšším kmitočtům, rezerva smyčky záporné zpětné vazby se začne zmenšovat, což charakterizuje nárůst zkreslení.

Nesmírně důležitým parametrem kvalitního nízkofrekvenčního zesilovače je jeho chování v limitaci. Osobně si myslím, že to je jedna z hlavních příčin, proč jsou mezi zesilovači slyšitelné rozdíly. Vycházejme z předpokladu, že každý výkonový zesilovač občas pracuje v limitaci. Zesilovač je sestaven z několika funkčních celků, které mají různý mezní kmitočet. Vstupní a rozkmitové stupně jsou osazeny tranzistory s mezním kmitočtem o jeden až dva řády vyšším než mají tranzistory výkonové. Při limitaci ve vnitřní struktuře zesilovače začne zpravidla nejprve limitovat výkonový stupeň. Protože tím okamžitě ztratí schopnost řízení, zesilovač se začne chovat tak, jako by byla rozpojena zpětná vazba. Zesílení se prudce zvětší, do limitace se dostane i rozkmitový stupeň, jehož bázový přechod je nyní buzen předchozím stupněm do hluboké saturace, do hluboké saturace se proto dostane i výkonový stupeň. V okamžiku, kdy se změní polarita vstupního signálu, jsou bázové přechody všech stupňů přesyceny nosiči nábojů, jejichž rekombinace je ale různě dlouhá, z limitace se nevracejí ve stejný okamžik a nejdelší dobu to trvá právě výkonovému tranzistoru. Tento jev lze částečně potlačit vnitřní kmitočtovou kompenzací rozkmitového stupně a to buď přímo v něm, nebo zavedením zpětné vazby přímo do vstupního zesilovače. Tento způsob není ale nikdy dokonalý a navíc, což je velmi nemilé, zmenšuje zisk naprázdno na vysokých kmitočtech, čímž prudce vzrůstá zkreslení. Saturace ve vnitřní struktuře zesilovače se projeví oním typickým “odtržením“ a zákmity při odběhu z limitace. Toto zkreslení nemá harmonický charakter, perioda zákmitu je dána dobou rekombinace nosičů nábojů a různou velikostí vnitřních kapacit, lidské ucho je na takové zkreslení proto velmi citlivé. Subjektivně si ani nemusíme uvědomovat, že zesilovač limituje, vždyť “máme k dispozici tak velký výkon a hrajeme tak potichu“, ale opak je pravdou, viz úvod (při velmi malých hlasitostech se uplatní zase přechodové zkreslení). Nejspíš proto se tak líbí elektronkové zesilovače, neboť zde se popsaný jev zdaleka tak neuplatní. Tyto zesilovače pracují s podstatně menším ziskem naprázdno, všechny stupně jsou přibližně stejně rychlé a je jich méně. Polem řízené prvky nemají saturaci, mají proto velmi krátké rozpínací časy. Převodní charakteristika elektronek je v kraji navíc velmi zakřivená, limitace není proto ostrá, ale zakulacená, což má ucho "rádo". Také výstupní transformátor nepřenáší dobře vysoké kmitočty, čímž se tento jev ještě dále potlačí. Nepochopení problematiky vede nyní různé výrobce k tomu, aby konstruovali zesilovače s malým ziskem naprázdno a z toho plynoucí malou nebo i žádnou celkovou zpětnou vazbou. Protože se od elektronkových zesilovačů jaksi odvodilo obecné povědomí, že “malá vazba = pěkný zvuk“, zavádějí to výrobci i u takto řešených zesilovačů tranzistorových, což i patřičně v reklamě zdůrazňují. Pravda je ovšem taková, že tyto zesilovače mají díky výše popsanému o jeden až dva řády větší základní zkreslení a i další nectnosti (např. špatnou stejnosměrnou stabilitu).

Řešení problematiky je po pochopení problému prosté a elegantní. Je totiž nutné zabránit saturaci výstupních tranzistorů, případně potlačit hlubokou saturaci rozkmitového stupně. Saturaci koncového stupně můžeme zabránit dvěma způsoby :

  1. napájet je vyšším napětím než stupně předchozí
  2. zkonstruovat zesilovač tak, aby limitoval dříve stupeň rozkmitový (jedná se v podstatě jen o jinou variantu předchozího způsobu)

Snažší a lacinější je ten druhý způsob. Oba způsoby sice nepatrně zhoršují účinnost zesilovače, ale to prakticky vůbec nevadí. Potlačení saturace rozkmitového stupně lze elegantně vyřešit zavedením nelineární zpětné vazby, jak je naznačeno na obr. 3.


obr03.gif (13804 bytes)


Při malých úrovních výstupního signálu se dioda v obvodu nijak neuplatní (jen její parazitní kapacita, ale ta je zanedbatelně malá). Ve chvíli, kdy se ale kolektorové napětí T3 přiblíží napětí UB, dioda se otevře a zesílení se téměř skokově zmenší. Stejnou měrou se zmenší i zesílení celého zesilovače, nedojde proto k saturaci ani následujícího stupně. Výsledkem jsou zcela perfektní průběhy při odběhu z limitace, navíc je ještě limitace podobná přístrojům elektronkovým, neboť dioda má v propustném směru charakteristické "koleno".


Pokračování někdy příště.....



Back | Home