Hledání Tranzistorového zvuku a Dynamická saturace

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 ... !