Předmluva

Srovnání dvou topologii či pojetí topologií je stále ožehavé téma. HQQF-55-502D vs. SPV 250, Federmann vs. Sinclair topologie zdánlivě podobné, přesto naprosto odlišné.

Topologie postavená v minulosti Sirem Clivem Sinclairem se stala pro mnohé vzorem a není divu, že po světě koluje značné množství její klonů, obdobně tomu bylo a je s topologii, kterou postavil W. Marshall Leach, Jr., Professor.

.

Topologie, kterou jsem postavil, se stala synonymem odporu výrobců zesilovačů! Každý "konstruktér" hájí jen svou topologii a vše ostatní je zavržení-hodno, každý "konstruktér" zavírá oči a nechce vidět, že vývoj tranzistoru trvá přes 60let a vývoj analogových zesilovačů stagnuje více jak 30let.

.

Úvod

Podívejme se na krátké srovnání HQQF-55-502D vs. SPV 250, Federmann vs. Sinclair. Ve srování se prozatím zaměříme na vlastnosti zesilovače bez výkonových tranzistorů, srovnání provedeme v:

• Teplotní stabilitě
• Nastavení pracovních bodů
• Frekvenčním rozsahu
• Napěťovém zesílení
• Fázové charakteristice
• Velikost napětí Udif
• Odolnost proti Tranzistorovému zvuku

Teplotní stabilita

Teplotní stabilita je odvozena od konstantních zdrojů proudů, obě konstrukce jsou si podobné.

HQQF-55-502D

Pro HQQF-55-502D je použito jako zdroj referenčního napětí diody LED vyrobené na bázi As-Ga, jejíž teplotní závislost je o málo menší než u běžného přechodu Si. V konečném důsledku se teplotní závislosti přechodu LED diody a přechodu BE tranzistoru odečtou, vykompenzují a výsledná závislost je menší jak 10%.

SPV 250

Pro SPV 250 jsou použity jako zdroj referenčního napětí dvě Si diody jejíž závislosti jsou obdobné s Si přechodem BE tranzistoru. V konečném důsledku se teplotní závislosti přechodů diod chovají jako výrazně závislejší, neboť je použit odlišný proud a dvě diody, po odečtení teplotní závislosti přechodu BE tranzistoru je výsledná závislost větší jak 100%! Hlavním důvodem tak velké závislosti je vypárování přechodu diody s přechodem tranzistoru, obdobně jako u HQQF-55-502D, ale krom toho je další diodou zanesena teplotní nestabilita, která již není ničím kompenzována.

 .

Vliv teplotní závislosti SPV 250 v rozmezí teplot 0÷80°C je alarmující, jednak je nevhodně zvolena Si dioda 1N4004, která je používána v oblasti svého kolena, nikoliv dostatečně daleko za ním.

Závislost u HQQF-55-502D není zcela přesná, neboť namísto modelu LED diody, byla použita kombinace SS zdroje 600mV a Si diody 1N4148. Pro znázornění nevypárovaného počtu teplotně závislých prvků je však výsledek dostatečně demonstrativní.

Nastavení pracovních bodů

Nastavení pracovních bodů je rovněž důležitý parametr, abychom mohli mnohé pochopit podívejme se na pracovní proudy jednotlivých tranzistorů.

HQQF-55-502D

U topologie HQQF-55-502D jsou proudy kolektorů diferenciální dvojice tranzistorů stejné jak referenční LED diodou.  Relativně velký proud kolektory diferenciálních dvojicí tranzistorů, přes 4mA přináší větší zesílení a zároveň širší oblast Udif bez poklesu zesílení. Naopak nese větší míru šumu, která však při takto silných signálech již nemá význam.

Dvojice výstupních tranzistorů má dostatečný kolektorový proud, který již dokáže budit libovolný počet výkonových tranzistorů. Zesilovač může sloužit i zcela samostatně, jako linkový či sluchátkový a pod.

 .

SPV 250

U topologie SPV 250 je proud kolektorů diferenciální dvojice tranzistorů 6x menší jak referenčními diodami. O řád menší proud kolektorem Q1, jak u T1 topologie  HQQF-55-502D, cca 0,6mA přináší značně menší zesílení a zároveň užší oblast Udif bez poklesu zesílení. Naopak nese menší míru šumu, která však při takto silných signálech již rovněž nemá žádný význam.

Dvojice výstupních tranzistorů má nedostatečný kolektorový proud, který již špatně budí komplexní zátěž, kterou představuje větší počet případně připojených výkonových tranzistorů. Zesilovač nemůže sloužit i jako linkový či sluchátkový a pod. neboť jeho výstupní impedance je značně vysoká.

.

Frekvenční rozsah

Frekvenční rozsah je závislý na počtu použitých polovodičů a jejich vlastnostech, použitých zpětnovazebních prvcích, ale také na pracovních bodech.

HQQF-55-502D

Pro HQQF-55-502D používá autor velmi jednoduchou topologii, pro dosažení větší šířky pásma jsou použity tranzistory s vysokým Ft, ale hlavně k dostatečné šířce pásma přispívají dostatečně velké kolektorové proudy jednotlivých tranzistorů.

SPV 250

Pro SPV 250 používá autor obdobnou topologii a tranzistory jako u HQQF-55-502D, ale dosažení dostatečné šířky pásma brání na spodním konci pásma malé vazební kondenzátory C5 a C7, na horním konci frekvenčního pásma je omezení v kapacitě C6. Dostatečné šířce pásma brání i velikosti kolektorových proudů Q1 a Q5.

.

Napěťové zesílení

Zde nás bude zajímat jednak napěťové zesílení v otevřené smyčce, napěťové zesílení v uzavřené smyčce a dostatek rezervy napěťového zesílení.

HQQF-55-502D

U topologie HQQF-55-502D je napěťové zesílení řešeno optimálním pracovním proudem tranzistorů T1 a T7 spolu s T2 a T8, zde již vidíme celo-symetrické zapojení, které se projeví dalšími 6dB na navýšení zesílení.

SPV 250

U topologie SPV 250 není napěťové zesílení nikterak řešeno a vychází z původních čtyřicet let starých topologii Sira Cliva Sinclaira, jako většina ostatního.

.

Fázová charakteristika

Fázová charakteristika je zcela samostatnou a značně opomíjenou problematikou. Fázová charakteristika napoví mnohé o chovaní zesilovače na krajích přenášeného pásma, zda zesilovač ještě stíhá či nikoliv. Rozfázování jednotlivých složek signálu může působit velmi nepříjemně a rušivě, tento druh zkreslení se však běžně neměří.

HQQF-55-502D

U topologie HQQF-55-502D bylo vše od prvopočátku podřízeno maximální linearitě včetně fázové pro celé přenášené pásmo a výsledek je patrný z grafů.

SPV 250

U topologie SPV 250, naopak od topologie HQQF-55-502D, konstruktér zřejmě ani netuší jak se zesilovač v požadovaném pásmu fázově chová, výsledek je rovněž uveden v grafu.

.

V detailu fázové charakteristika je zcela patrné přenášené pásmo do ±1°, které je pro topologii HQQF-55-502D v rozmezí 25Hz÷25kHz, kdežto u topologie SPV 250 se musíme spokojit s pásmem jen 750Hz÷4,3kHz, pro pásmo do ±4°, u topologie HQQF-55-502D je to již v rozmezí 5Hz÷100kHz, kdežto u topologie SPV 250 se musíme opět spokojit jen s šířkou pásma 200Hz÷12kHz.

Velikost napětí Udif

HQQF-55-502D

U topologie HQQF-55-502D bylo vše od prvopočátku podřízeno maximální linearitě, včetně fázové charakteristiky pro celé přenášené pásmo k dosažení čehož je ideálním měřítkem Udif.

SPV 250

U topologie SPV 250, platí obdobné jako u Fázové charakteristiky, ne že konstruktér zřejmě ani netuší jaký má zesilovač v požadovaném pásmu průběh Udif, ale tento průběh je záměrně znevažován. Výsledek je rovněž uveden v grafu.

.

Pokud jsme v  detailu fázové charakteristiky mohli vidět diametrální rozdíly obou topologii, pak u Udif je to ještě mnohem horší!

Pro korektnost musím upozornit že HQQF-55-502D má nastaveno zesílení jen 26dB a vstupní citlivost +6dB, kdežto SPV 250 má nastaveno zesílení 33dB a vstupní citlivost 0dB a v tomto duchu je nutno výsledek poopravit.

Udif v okolí 1kHz nám udává míru zkreslení, čím větší Udif potřebujeme, tím máme menší rezervu v zisku a výstupní signál má větší tvarovou odchylku od signálu vstupního. Nástup nárůstu Udif je u topologie SPV 250 téměř o dva řády dříve jak u topologie HQQF-55-502D!

Odolnost proti Tranzistorovému zvuku

Jednoduchým zapojením můžeme nasimulovat chování diferenciální dvojice tranzistorů a jejich závislost zesílení na přivedeném vstupním rozdílovém napětí Udif.

  .

HQQF-55-502D

U topologie HQQF-55-502D je zesílení diferenciální dvojice tranzistorů větší a šířka Udif, pro pokles zesílení o -10% představuje cca 24,6mV.

 .

SPV 250

U topologie SPV 250 je zesílení diferenciální dvojice tranzistorů menší a šířka Udif, pro pokles zesílení o -10% představuje cca 17,6mV, což je téměř o 30% méně.

.

Při přivedeném nominálním vstupním napětí  dojde k poklesu zesílení diferenciální dvojice tranzistorů o 10% a tím k úměrnému nárůstu zkreslení, pro HQQF-55-502D (vstup +6dB) na kmitočtech cca 600kHz, pro SPV 250 (vstup 0dB)na kmitočtech cca 15kHz!

Závěr

U topologie HQQF-55-502D je dobře patrné, že honba za maximálním přenášeným kmitočtem nese své ovoce, ale ani mezní kmitočet 1,5MHz nestačí na to aby se pásmo do pouhých 100kHz vešlo do fázového posuvu ±1° a je celé -4°, stejně tak Udif je již trojnásobek Udif při 1kHz.

Zavedenou a "uznávanou" topologii SPV 250 nebudu radši moc komentovat, teplotní stabilita, šířka pásma, fázová charakteristika i odolnost proti Tranzistorovému zvuku je jaká je.

Hodnocení Tranzistorového zvuku

Při buzení zesilovače HQQF-55-502D napětím +6dB a použití vstupního R-C filtru nad 600kHz nemůže dojít k většímu poklesu zesílení diferenciální dvojice tranzistorů jak 10% a tím k neúměrnému nárůstu zkreslení a to bez ohledu na frekvenci vstupního signálu. Pro kmitočty 100kHz potřebné pro přenos formátů SACD a DVD audio je teprve pokles zesílení diferenciální dvojice tranzistorů pouhých 0,25%!

Při buzení zesilovače SPV 250 napětím 0dB však běžně dochází u diferenciální dvojice tranzistorů k poklesu zesílení většímu jak 10% a tím k neúměrnému nárůstu zkreslení již od frekvence cca 15kHz, pro deklarovaný kmitočet 40kHz by byl pokles zesílení již o cca 40% a pro kmitočty 100kHz potřebné pro přenos formátů SACD a DVD audio by pokles zesílení představoval mnohem více jak 80%. Co takový pokles zesílení dokáže se signálem vytvořit si může každý zodpovědět sám.

Podívejte se na články se stejnou tématikou.

Diskuse

Úvod

Super Audio CD blíže černému vinylu? Ano právě takovou otázku probouzí formát Super Audio CD, formát, který vznikal již před deseti roky a navrátil pošramocenou reputaci digitálnímu zvuku.

Dobrý analog střídá CD

Analogový zvuk, který byl zaznamenáván na známe vinylové desky a magnetofonové pásky skýtal mnohem širší pásmo, jak akustické pásmo 20Hz až 20kHz, které člověk slyší. Omezením zaznamenávaného pásma na cca 20Hz až 20kHz pro CD záznam se najednou nenápadně vytratila plnost nahrávky, její prostorový vjem a pocity jež jsou součástí všech živých koncertů.

Nepostradatelný akustický vjem

Audio-svět pomalu začal zapomínat honbu HI-FI-stů 70. let za vysokou kvalitou a vysokými přenosovými frekvencemi. Jsou i takoví, kterí nikdy ani netušili, že pásmo nad 20kHz je právě to pásmo, které udává značnou část plnosti a barvy nahrávky a jejím potlačením o tento vjem nenávratně přicházíme.

Nástup polovodičů

Přenosové cesty pomalu ovládly polovodiče a elektronky používají jen skalní "nadšenci", kteří dodnes tvrdí, že jejich zesilovače mají přes vetší měřitelné zkreslení stále lepší zvuk. Tranzistorovým přenosovým cestám často frekvence nad 20kHz dělají značné potíže a nezřídka způsobí i destrukci výkonových stupňů.

W. Marshall Leach

W. Marshall Leach se věnoval zesilovačům s nízkým zkreslením TIM (transient intermodulation distortion). Dodnes se jedná o velmi kvalitní topologii, ze které vzniklo mnoho klonů.

Dnes však již málokdo ví, že W. Marshall Leach k dosažení šířky pásma alespoň 400kHz používal tranzistory s FT=8,5MHz, rychlost přeběhu cca 60V/s, následně vstupním R-C filtrem upravoval výslednou šířku pásma tak, aby nebyla větší jak 220kHz.  

Super Audio CD

Dovolil jsem si použít část textu ze stránek BMS Company:

"Chtěli bychom se s vámi podělit o novinky ze světa revolučního audio formátu Super Audio CD (SACD).  Základní specifikace tohoto nového způsobu záznamu a reprodukce audio dat jsou následovné: SACD používá revoluční technologii Direct Stream Digital (DSD) s přímým záznamem 1 bitového signálu při frekvenci 2.8224 MHzTato technologie umožňuje co nejvíce se přiblížit kvalitě zdrojového signálu a odbourává nutnost dodatečného filtrovaní signálu, jak je tomu u technologie PCM modelace u klasického CD záznamu. Zatímco klasické CD nám umožňuje frekvenční rozpětí signálu do 20kHz, SACD nabídne rozpětí až 100kHz.

SACD je relativně nový sytém pro záznam a reprodukci audio nahrávek ve vysoké kvalitě. Původcem je Sony a další světoví výrobci jež vlastní licence. Médiem je kotouček o průměru 120 mm jako u CD. Může obsahovat dvě vrstvy - jednu pro SACD data a jednu pro CD záznam a tento hybridní disk je tedy reprodukovatelný i na CD přehrávačích. Pro reprodukci SACD vrstvy je nutno mít speciální přehrávač, který je schopen takto uložená data číst a dekódovat (viz DSD).

Formát SACD používá k záznamu a k přehrávání technologii přímého digitálního toku (DSD), která se vyznačuje kmitočtovým rozsahem přesahujícím 100 kHz a dynamickým rozsahem přesahujícím 120 dB v celé šíři slyšitelného pásma.

Formát DSD zvyšuje rozlišení hudebního signálu přesnějším sledováním tvaru originální vlnové křivky, což se projevuje ve výrazně čisté a věrohodné reprodukci. Kromě výjimečné zvukové kvality prostřednictvím technologie DSD je formát SACD schopen pojmout více než čtyřnásobek informací současného formátu CD. Díky této kapacitě poskytuje disk SACD prostor pro 2-kanálová stereofonní data, jakož i kapacitu pro až 6-ti stopý vícekanálový zvukový záznam a dokonce i pro text a obrázky.

Některé disky SACD jsou provedeny jako hybridní, což znamená, že kromě CD vrstvy obsahují ještě jednu vrstvu s vysokou hustotou; tyto typy disků SACD lze přehrávat na běžných CD a DVD přehrávačích. Stejně jako v případě formátu DVD-Audio, nesmíme při stavbě poslechového řetězce zapomenout na zvýšené nároky SACD vůči ostatním komponentům, zejména reproduktorovým soustavám." 

Hudební profesor James Boyk

Hudební profesor James Boyk se dlouhodobě zabýval vyššími harmonickými. Přes omezení na 102,4kHz, které bylo zapříčiněno rozsahem použitých přístrojů, jeho měření jasně dokladují, že v každé skupině hudebních nástrojů je alespoň jeden hudební nástroj, který svým frekvenčním rozsahem přesahuje hranici 102,4kHz.

U některých hudebních nástrojů je výkon nad akustickým pásmem až neskutečný. Největší podíl měly činely se svými 40% či Key jangling (cinkání klíči) se svými 68%.

.

T. Ooahashiho, vývoj SACD a DVD-audio

Japonský tým T. Ooahashiho, složen z deseti japonských univerzit a výzkumných ústavů (Oohashi, Tsutomu, Emi Nishina, Manabu Honda, Yoshiharu Yonekura, Yoshitaka Fuwamoto, Norie Kawai, Tadao Maekawa, Satoshi Nakamura, Hidenao Fukuyama a Hiroshi Shibasaki), pracoval na vývoji nových digitálních standardů "super audio compact disk" (SACD) a "digital versatile disk audio (DVD-audio), přičemž zkoumal vliv vyšších harmonických na lidské smysly, následně neurologové publikovali výsledky v Journal of Neurophysiology a na konferenci AES v roce 2000.

.

Zpráva říká, že hudební signál (FRS), kterým byla hudba z ostrova Bali, neboť právě ta má značný podíl vyšších harmonických, byl rozdělen na dvě pásma, do 20kHz (LFC) a nad 20kHz (HFC). Nikdo z posluchačů nebyl schopen samostatně rozpoznat signály nad 20kHz.

Byla zkoumána mozková aktivita na takto rozdělený signál. Výsledek jednoznačně prokázal, že pokud působí na lidské smysly samostatně pásmo nad 20kHz, mozek jej nechává bez povšimnutí, pokud působí samostatně pásmo do 20kHz EEG, vykazuje jisté elektrické aktivity, které se velmi výrazně zvýší při působení obou frekvenčních pásem.

Psychologická měření zcela jednoznačně prokázala, že zvuk obsahující obě pásma vyvolává u posluchačů příjemnější pocity než stejný zvuk bez horního pásma.

Závěr

"Super audio compact disk" (SACD) společně s "digital versatile disk audio" (DVD-audio) se staly postupně součástí našeho života. Frekvenční rozsah těchto standardů sahá od řádově jednotek Hz až za 100kHz.

Nyní již není důležité zda ten či onen hudební nástroj má frekvenční rozsah do 50 či 100kHz. Frekvence minimálně do 100kHz jsou ve slušných studiích na SACD a DVD-audio zaznamenávány, takové nahrávky si můžeme běžně koupit, měli bychom je i umět běžně reprodukovat.

Celý elektroakustický řetězec by měl být konstruován tak, aby přenesl frekvenční pásmo od cca 5Hz do minimálně 100÷150kHz! Výmluvy výrobců zesilovačů, že člověk nad 20kHz stejně neslyší a toto pásmo není ke kvalitnímu poslechu potřebné, jsou pouze výmluvy, které mají nejčastěji zakrýt hlubokou neznalost či nedostatky v topologii zesilovače.

Zdroj: W. Marshall Leach, BMS Company, James Boyk, Journal of Neurophysiology, Hypersonic Effect pdf.

Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0.

Roznovska_Středni

Diskuse

Podívejte se na články se stejnou tématikou.

Úvod

Odborníci i veřejnost si často kladou otázku, jak je to s infrazvukem a ultrazvukem. Panuje převážně názor, že obě oblasti nás nemusejí zajímat, neboť slyšíme pouze zvuk, který je v akustickém pásmu. Mnozí se pak podivují, že živý koncert skýtá naprosto jedinečný zážitek, kdežto jeho záznam je poněkud ochuzen.

Celá problematika sahá do samotných počátku přenosu, reprodukce a záznamu zvuku. První přístroje byly postaveny na bázi elektronek, později se přidaly první tranzistory, které vedly k integraci a vznikly první integrované části přístrojů.  Dlouhou dobu se jednalo o přístroje analogové, které postupně začaly doplňovat a později vytláčet přístroje digitální. Dnes máme signál i přístroje analogové i digitální.

Na problematiku šířky pásma mají jednoznačný názor převážně výrobci zesilovačů, kteří se omezili na akustické pásmo a vše ostatní popírají, stejně jak "Tranzistorový zvuk", který vzniká převážně v oblasti nad akustickým pásmem. Jakékoliv rozšíření přenášeného pásma by výrobcům zesilovačů nabouralo zažité zvyklosti a mohlo přivodit mnohé komplikace, proto je často fakta nezajímají. Výrobci elektronkových zesilovačů naopak zastávají názor, že právě ty jejich zesilovače jsou ty lepší, s tvrzením, že měření zkreslení není tím pravým obrazem kvality zesilovačů.

Jinak je tomu u Hi-Fistů, hudebníků a odborníků z oblasti věd lékařských, kteří nejenom slyší a vnímají odlišnosti akustického vjemu při přítomnosti infrazvuku a ultrazvuku, ale jsou schopni jeho vliv změřit a zadokumentovat. Zde byly při vývoji SACD a DVD-audia provedeny rozsáhlé studie pod vedením T. Ooahashiho.

V německém Deutsches Institut für Normung (DIN) v roce 1973 vytvořili celosvětový standard, normu DIN 45500 pro Hi-Fi, která nikterak nepostihovala "Tranzistorový zvuk", nebyly metody, jak jej měřit, byli jen zarytí Hi-Fisti, kterým tento zvuk vadil a dodnes vadí. Vznikla řada měřících metod s možností měřit zkreslení, ale žádná metoda nedokázala sjednotit poslechové hodnocení s měřením elektronickými přístroji. Někdy při poslechu nevadí zkreslení jednotky procent a jindy je lidské ucho citlivé k setinám procent. Obecně lze říci, že ucho bývá citlivější na zkreslení vzniklé v polovodičových zesilovačích se silnou zápornou zpětnou vazbou.

Abych objasnil samotné příčiny vzniku zkreslení, zabývám se v příspěvku chováním diferenciálního stupně v zesilovači se silnou zápornou zpětnou vazbou, jehož vlastnosti lze názorně simulovat pomocí moderních simulačních programů. Pochopení samotné podstaty vzniku nežádoucího zkreslení může pomoci lépe posoudit vlastností zesilovače stejně jako vhodně  řešit jeho topologii.

Walter Jung: OP Amp Audio

Již Walter Jung a mnozí další se zabývali řešením problematiky zesilovačů se silnou zpětnou vazbou. Jejich pozornost byla soustředěna na vstupní diferenciální zesilovač a na jeho dynamickou saturaci.

Odvodili velikost vstupního diferenciálního napětí, kdy dochází k dynamické saturaci vstupní diferenciální dvojice tranzistorů.

.

Topologie W. Marshalla Leacha

W. Marshall Leach se dlouhodobě věnoval zesilovačům s nízkým zkreslením TIM (transient intermodulation distortion). K dosažení šířky pásma alespoň 400kHz používal tranzistory s FT=8,5MHz, rychlost přeběhu cca 60V/s, následně vstupním R-C filtrem upravoval výslednou šířku pásma tak, aby nebyla větší jak 220kHz.

W. Marshall Leach však nikdy nikomu nedoporučoval, aby měřil zesilovač při frekvencích nad 20kHz při plném výkonu. Koncové tranzistory jsou tepelně velmi namáhané a mohlo by dojít k jejich zničení

Vymezení rozsahu simulací

Pro účely příspěvku jsem simulaci omezil na pásmo od řádu  jednotek Hz až do řádů stovek kHz.  Nezabýval jsem se jednotlivými druhy zkreslení jako jsou TIM (transient intermodulation distortion), SID (slew induced distortion) ani DIM (dynamic intermodulation distortion), stejně tak limitací, přechodovým zkreslením a pro koncové tranzistory nebezpečnými příčnými proudy.

.

Omezil jsem se pouze na zkoumání poměrů vstupního diferenciálního zesilovače, které dostatečně popíší následující simulace:

1. - frekvenční závislosti zesílení Au dané topologie.
2. - závislost kolektorových proudů na Udif.
3. - závislost proudového zesílení na Udif.
4. - linearita v závislosti na velikosti Udif.

Frekvenční závislosti zesílení Au

Různé topologie tranzistorových zesilovačů včetně integrovaných mají různé charakteristiky závislosti Au na frekvenci, pro všechny však nad jistou mez platí pokles zesílení s rostoucí frekvencí.

.

Budeme vycházet z maximálního výstupního napětí, například Uef=20V, pak Uš=28V, dle obr. 8 při zesílení cca 70dB na 1kHz. Tomuto odpovídá Udif=10mV. Při frekvenci 200kHz však zesílení pokleslo na 54dB a pro dosažení stejného výstupního napětí Uš=28V je již zapotřebí Udif=56mV. Samozřejmě pro odlišné zapojení platí odlišné hodnoty.

.

Závislost kolektorových proudů na Udif

Chování vstupního diferenciálního zesilovače znázorněného na obr. 10 popisuje dostatečně obr. 11, kde je znázorněna závislost kolektorových proudů na Udif a jejich první derivace, jež  vyjadřují závislost proudového zesílení na Udif.

.

Závislost proudového zesílení vstupních tranzistorů na Udif

Walter Jung a W. Marshall Leach považovali za saturaci vstupních tranzistorů, jimiž teče proud 1mA, napětí Udif =57mV.

Na grafech je patrné, že s rostoucím proudem se hranice pro saturaci zvyšuje.  První derivace prozrazuje závislost proudového zesílení i jeho pokles v závislosti na velikosti Udif. 

.

Dynamická saturace

Vycházíme z akustického signálu, jehož amplituda i frekvence jsou trvale proměnné, obě hodnoty mohou nezávisle na sobě dosahovat maxima.

V případě nejvyšších frekvencí s velkou amplitudou nastane stav, že zesilovač má při dané frekvenci bez zpětné vazby malé zesílení a pro dosažení požadovaného napětí na výstupu potřebuje velké Udif. V našem případě vyšlo při frekvenci 200kHz a výstupním napětí Uš=28V Udif=56mV.

Jak vyplývá z následujících grafů, můžeme v tomto případě již mluvit o zkreslení, způsobeném saturací obou vstupních tranzistorů.

Saturaci můžeme nazvat "Dynamickou saturací", neboť trvá pouze po čas rychlé napěťové změny akustického signálu, která obsahuje vysoké harmonické.

V praxi jsou většinou vyšší harmonické s menší amplitudou, kterou můžeme při výpočtu a simulaci přiměřeně zohlednit.

.

Stanovení počátku dynamické saturace

Jak je patrné do Udif=10mV nedochází k viditelné změně tvaru signálu. Dále již můžeme vidět Udif=25mV a již počátek dynamické saturace. Pro náš případ je zesílení při 100kHz rovno cca 60dB a tomu odpovídá Udif=28mV.

Se zvyšováním Udif nad hodnotu 20mV až 30mV při proudu obou tranzistoru po cca 7,5mA již dochází ke změně tvaru výstupního signálu. Při použití menších kolektorových proudů se tato hranice úměrně sníží a naopak.

Pro názornost a lepší vyjádření poměrů na vstupní diferenciální dvojici tranzistorů jsem v grafech použil:

• Modře - vstupní napětí: Hodnota=Udif
• Zeleně - vyjádření kolektorového proudu tranzistoru: Hodnota=I1-IC2, hodnota je dále upravena vynásobením *11 tak, aby byla vyjádřitelná ve společném grafu. Je zatížena chybou IB, ale pro demonstrativní účely poměrů diferenciálního stupně nehraje roli.
• Červeně - zvýraznění tvarového zkreslení, které vzniká při dynamické saturaci. Obdobně, jako se ve statistice počítá kvadratická či střední kvadratická odchylka, jsem použil pro účely přesnějšího stanovení počátku a průběhu Dynamické saturace výraz: Hodnota=∆Ic/∆Udif*Ic, hodnota je rovněž upravena tak, aby byla vyjádřitelná ve společném grafu, vynásobením *11.

.

Nárůst zkreslení a počtu lichých harmonických

Zvyšováním Udif nad hranici cca 40mV, velmi rychle dochází ke ztrátě zesílení, u Udif´=75mV již můžeme pozorovat rychlý nárůst třetí harmonické, čímž získáváme jasnou odpověď na hodnocení tranzistorových zesilovačů hudebníky, že kvinta - třetí harmonická - je u těchto zesilovačů dominantní!

.

Závěr

Bez simulačních programů se dnes v elektrotechnice neobejdeme, napomáhají nám nejenom simulovat chování elektrických obvodů, ale i lépe porozumět jejich funkci. Je vhodné pracovat s programy, které jsou "SPICEcompatible", aby byly výsledky vzájemně srovnatelné.

Věda a lidské poznání jde dnes za pomocí výpočetní techniky mílovými kroky kupředu, stále však zůstává a vždy bude zůstávat řada zdánlivě jednoduchých nevyřešených problému.

Jeden z nevyřešených či nezodpovězených problémů byl i "Tranzistorový zvuk". Sice jsem se omezil pouze na chování diferenciálního stupně, který nejčastěji stojí na vstupu ať již klasického zesilovače, či operačního zesilovače. Právě diferenciální stupeň je pro chování zesilovače se silnou zpětnou vazbou ten rozhodující.

Vlivy jednotlivých topologií, stejně jak vlivy jednotlivých prvků budou brzy popsány v následujících článcích.

Zdroj: Walter Jung, W. Marshall Leach

Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0. Roznovska_Středni

Podívejte se na články se stejnou tématikou.

Diskuse

Úvod

Již jsem toho o Tranzistorovém zvuku mnohé napsal. Hudebníci vždy tvrdili, že Tranzistorový zvuk  slyší a konstruktéři zesilovačů mne zase kamenovali. Těžko rodící-se článek ve Wikipedii anonymové neustále devastovali a udělali vše proto aby text naprosto znetvořili.

Jak čas běžel, vedly se různé diskuze a jedna z nich "Real men do not use opamps" mne opět vtáhla do centra dění, pak byl již jen krůček k nalezení souvislostí, které dostatečně vysvětlují příčiny vzniku Tranzistorového zvuku, včetně metod jak tuto nežádoucí vlastnost měřit.  

Limitace

O limitaci nemusím vést dlouhé řeči, limitace je jev nežádoucí u každého zesilovače, takto se o limitaci vyjádřil jeden ze zkušených posluchačů: "Z průběhu zkreslení by měl každý jen mírně zkušený člověk v oboru poznat, že jde o limitaci, harmonické až do aleluja skoro stejně vysoké... . Musím říci, že mě to opravdu nadzdvihlo a zvýšilo hladinu adrenalinu."

Limitaci potlačíme vhodným dimenzováním zesilovače a hlavně jeho provozováním při efektivním výkonu do o 10% výkonu maximálního, pro náročné a opravdu kvalitní poslech hlasitosti ještě ubereme a provozujeme pouze při efektivním výkonu do o 1% výkonu maximálního!

Zkreslení dáno Topologií

Topologie je mnohem náročnější, tu musí řešit vždy konstruktéři zesilovačů a musí být vyřešena, tak aby v celém akustickém pásmu nevznikaly, ani nemizely žádné signály, tóny, či jejich sebekratší části.

Takto se vyjádřil o Tranzistorovém zvuku, nezapříčiněném limitací, ale jenom topologii stejný velmi zkušený posluchač: "Právě jsem dokončil další srovnávací poslechový test DII a preampu na bázi kvalitních OZ (z mé dílny). Rozdíl je tak propastný, že se tomu až nechce věřit. Velké rozdíly jsou v dynamice, rozlišení nástrojů, podání prostoru, i v tonalitě. Testováno na kvalitní nahrávce "klasiky" od Harmonia Mundi." 

Příčiny

Takto popisovali příčiny Ing. Jiří Schimmel, Ing. Ladislav Káňa, Ústav telekomunikací, Purkyňova 118, FEI VUT v Brně "Pokud dojde k limitaci, dojde ke sluchem rozpoznatelnému zkreslení. Když zesilovač pracuje v limitaci, chová se krátkodobě jako by neměl zpětnou vazbu. Čím má zesilovač větší zpětnou vazbu, tím je limitace subjektivně více rozpoznatelná, trvá delší dobu, než se zesilovač z limitace "vzpamatuje"."

Moudří pánové se již hodně přiblížili podstatě problematiky, ale ještě stále nebyla definice ta pravá, navíc se jejich definice může vysvětlovat mylně, neboť mnohé opírali o zkreslení označované jako TIM (Transient Intermodulation Distortion - Přechodové intermodulační zkreslení), které by se dalo chápat jako limitace v pravém slova smyslu.

Dynamická saturace

Pojem "Dynamická saturace" byl doposud neexistující výraz, kterým jsem právě pojmenoval druh saturace, který nastává v zesilovači, konkrétně ve vstupních tranzistorech a jeho důsledkem je Tranzistorový zvuk.

Dynamická saturace může v zesilovači nastat i při výstupním napětí zesilovače výrazně menším než je napětí maximální, tento druh saturace není odvozen od vlastností výstupních obvodů zesilovače, ale naopak je závislý převážně na vstupních obvodech zesilovače.

K Dynamické limitaci zesilovače dochází vždy, když velikost vstupního signálu dosáhne nelineární oblasti vstupních obvodů.

.

Příčiny vzniku Dynamické saturace

Nyní se pokusím vysvětlit příčiny Dynamické saturace pro diferenciální stupeň tvořený dvěma Bipolárními Si tranzistory bez emitorových odporů, který je velmi často používán na vstupu všech zesilovačů. Pro zapojení s emitorovými odpory, či unipolárními tranzistory platí zde popsané v přiměřené míře.

Příčina Dynamické saturace je v přivedení velkého vstupního napětí Vdif mezi báze vstupních tranzistorů T1 a T2, čímž se tranzistory dostanou do nelineární oblasti. Dynamická právě proto, že tento jev nejčastěji nastává při velmi rychlých změnách vstupního signálu, kdy výstup reaguje se zpožděním na vstupní signál.

Rychlá změna signálu je přivedena na vstup označený +  a na vstup - se dostává opožděně, až po průchodu celým zesilovačem, po tento čas jsou oba vstupní tranzistory  T1 a T2 v nelineární oblasti. Využívání nelineární oblasti vstupních tranzistorů, se projeví jako by byl zesilovač po tento čas bez zpětné vazby, čímž se výrazně zúží šířka přenášeného pásma, signál se na nelinearitě značně zkresluje a vznikají jeho harmonické, v neposlední míře dochází ke vzájemné modulaci mezi jednotlivými kmitočty.

Při běžném akustickém signálu jde o jev naprosto originální a neopakovatelný, ale s vysokou četností! Dochází k náhodným výpadkům některých částí signálu a nahrazování zcela jinými, není opakovatelný jako přechodové zkreslení, či saturace způsobená saturací výstupních obvodů, které můžeme běžně změřit. Přesto, že jde o jev originální a neopakovatelný, má i ten své zákonitosti a pravidla.

Takto popisovali důsledky "Dynamické saturace" Ing. Jiří Schimmel, Ing. Ladislav Káňa, Ústav telekomunikací, Purkyňova 118, FEI VUT v Brně: "Vetší zpětná vazba potlačí všechny druhy zkreslení, tzn. i TIM, ale jen do strmosti signálu srovnatelného s rychlostí přeběhu zesilovače. Pak se zkreslení prudce zvětšuje. 1% zkreslení signálu nastává tehdy, pokud je strmost vstupního signálu rovna rychlosti přeběhu zesilovače. Toto zkreslení je při srovnávacím testu pozorovatelné - projevuje se jako menší brilance nebo jako ztráta výšek"

.

  Frekvenční vlastnosti

Jak bylo uvedeno: "zkreslení signálu nastává tehdy, pokud je strmost vstupního signálu rovna rychlosti přeběhu zesilovače", zde bych si dovolil oponovat, neboť například u zesílení 10x má vstupní signál 10x menší strmost než signál výstupní, podmínka by platila až při 10násobném překročení mezní frekvence ... !

Naopak vycházím pouze z obecného zesílení zesilovače či OZ, kde:

 U_V = V_dif*A^*;

 V_dif = (U+)-(U-);

 A^* = zesílení bez zpětné vazby;

 A^* = f_(f), A^* je frekvenčně závislé.

Pro V_dif můžeme napsat vztah Vdif = U_V/A^*;

Pro konstantní výstupní napětí U_V má V_dif opačnou frekvenční závislost jako A^*.

.

Pokračování brzy