Tranzistorový zvuk a jeho konec? Aneb nová definice pro Hi-Fi!

Úvod

Další článek na téma Tranzistorového zvuku, v němž se pokusím najít konkrétní řešení, jak se tomuto nepříjemnému a nelibozvučnému zvuku vyhnout, či definovat nové podmínky pro Hi-Fi!

.

Rekapitulace dosavadních poznatků

Norma DIN 45500 pro Hi-Fi

V německém Deutsches Institut für Normung (DIN) se 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!

Frekvenční pásmo

Vycházejme ze skutečnosti, že slyšitelné akustické pásmo nepřesahuje na svém horním konci frekvenci 20kHz. K reprodukci barvy tónů však potřebujeme přenášet spolu s akustickým pásmem, ještě pásmo nesoucí barvu tónů, které nám sahá někde nad 150kHz!

Frekvenční závislost

Každý aktivní prvek je frekvenčně závislý, s rostoucí frekvencí klesá jeho zesílení, pokud jsou aktivní prvky vzájemně propojeny, je výsledná charakteristika rovna součtu charakteristik jednotlivých aktivních prvků v signálové cestě!

Topologie

Většina více-tranzistorových zapojení je konstruována obdobně jako jsme zvyklí u konstrukcí Operačních Zesilovačů. OZ jsou většinou ještě více-tranzistorové než zapojení realizována s diskrétních prvků a nelze do jejich topologie již významněji zasáhnout.

Nejčastěji používaným zapojením je zapojení se dvěma vstupy, jeden je neinvertující a druhý invertující, tedy se vstupním diferenciálním stupněm, který při zapojení s Si bipolárními tranzistory dynamicky saturuje dle W. Marshalla Leacha při Vdif ≅57mV.

Požadavky na zapojení

Každé zapojení na jehož vstupu je vstupní diferenciální stupeň složený z bipolárních tranzistorů musí přenést celé akustické pásmo včetně pásma barvy tónů, aniž by došlo k jeho zkreslení.

Řečeno jinými slovy, každé zapojení musí mít bez zpětné vazby tak velké zesílení, aby při maximálním výstupním napětí, v celém přenášeném pásmu nepřekročilo vstupní napětí Vdif≅57mV!

S přihlédnutím k frekvenčním vlastnostem, u kvalitního Nf. zesilovače postačí, aby při maximálním výstupním napětí, na frekvenci 200kHz bylo Vdif<50mV.

Příklady

1. Příklad:

Máme zesilovač, který zesiluje signál s efektivní úrovní signálu 0dB (775mV), dynamika zesilovaného signálu je 20dB nad efektivní úrovní (7,75V), amplituda takového signálu může dosáhnout 7,75*√2≅11V

Zesílení zesilovače při 200kHz musí být takové, aby Vdif < 50mV; tedy Au=20*log 11V/50mV; Au≅47dB!

2. Příklad:

Máme výkonový zesilovač, jehož maximální výstupní výkon je 200Wattů při 4Ω (U=28,3V; Uš=40V), je provozován při efektivním výkonu cca 20Wattů (U=9V; Uš=12,7V); vstupní citlivost je +6dB (1,55V; Uš=2,2V); zesílení Au≅15dB; Nutné zesílení při 200kHz Au=20*log 40V/50mV; Au≅58dB!

3. Příklad:

Definujeme si vstupní úroveň při které již dochází k limitaci Vdif≈50mV; U=20*log (775mV*√2)/50mV; U≈-27dB

Máme zesilovač jehož napájení je ±24V a maximální rozkmit výstupního napětí ±22V, tedy 26dB.

Potřebné zesílení při 200kHz; Au=26dB-(-27dB); Au=53dB!

Další požadavky, či poznatky

Poněvadž se bavíme pouze o Nf. zesilovači a požadovaném přenášeném pásmu do 200kHz, jen pro toto pásmo definujeme požadavky pro obecný zesilovač.

Je dále nutné samotnou topologii celku (hlavně zdroj signálu a vstupními obvody zesilovače) zajistit aby se nežádoucí signály, které se nachází nad tímto pásmem nedostaly na vstup zesilovače vůbec, či jen v omezené míře.

Dynamika signálu není vůbec rozhodující, pouze čím je dynamika signálu větší nad efektivní úroveň signálu, tím méně často dochází k přiblížení-se k hranici dynamické saturace vstupních tranzistorů.

Závěr

Závěr je vcelku jednoznačný, avšak pro mnohé bude příliš nekompromisní! Zesilovače, které nesplňují požadavek dostatečného zesílení bez zpětné vazby při kmitočtu 200kHz, trpí více, či méně, ale vždy trpí "Tranzistorovým zvukem", nemají v Hi-Fi technice co pohledávat!

Zesilovačům, bez ohledu na jejich konstrukci, či další použití, nepomůže zařazovat do cesty jakékoliv omezovače, či hledat jakékoliv obcházení zde popsaného pravidla! Když nedojde ke zkreslení v samotném zesilovači, jež nesplňuje zde popsané kritéria, pak tuto práci za něj vykoná přidaný omezovač, či podobná "ochrana"!

Mnozí můžou namítat, že 200kHz je mnoho, když prokazatelně vnímáme jen 150kHz, rovněž lze namítat, že jsem použil jako druhé hlavní kriterium pouze 50mV, když by to napětí mohlo být o něco větší.

Kriterium minimální rezervy zesílení zesilovače bez zpětné vazby při kmitočtu 200kHz jsem postavil zcela striktně a nekompromisně, je postaveno s malou rezervou, přesto skýtá dostatečnou záruku, aby nedošlo k dynamické saturaci vstupního diferenciálního stupně do kmitočtu 200kHz.

Zároveň toto kritérium skýtá dostatečnou záruku přijatelného zkreslení na všech kmitočtech, obzvláště na nižších, kde je značná rezerva v zesílení, která je zárukou malé odchylky a vysoké věrnosti výstupního signálu.

Zdroj: Walter Jung pdf