Фонокорректор. Исторический очерк

В 1948 году Columbia Records выпустила первые долгоиграющие монофонические  пластинки, записанные по схеме частотных предыскажений. В последующие годы американские компании вывели на рынок не менее девяти альтернативных вариантов частотной коррекции и в 1953-1954 годы был принят отраслевой стандарт частотной коррекции, ставший известным как  “RIAA”. С 1956 года по этому стандарту производились практически все новые записи.

В 40-х…60-х годах для воспроизведения долгоиграющих пластинок применялись недорогие и потому более распространённые пьезоэлектрические звукосниматели либо относительно дорогие магнитные звукосниматели. Пьезоэлектрические звукосниматели имели чувствительность в ~50…100 раз большую, чем магнитные и поэтому не требовали малошумящих предусилителей. Однако из-за особенностей конструкции пьезоэлектрический звукосниматель должен иметь жесткий подвес и поэтому для его надежного удержания в звуковой дорожке требовалась значительная прижимная сила. При использовании качественных игл с малым радиусом острия такой звукосниматель быстро портил пластинку, а относительно “щадящие” 🙂 иглы с большим радиусом острия не могли отслеживать высокочастотные смещения канавки. Другим неустранимым недостатком пьезоэлектрических звукоснимателей была “зигзагообразная” неравномерность АЧХ.

По этим причинам в высококачественной аппаратуре всегда преобладали магнитные звукосниматели и к 80-м годам применение пьезоэлектрических звукоснимателей практически прекратилось.

Непременными “компаньонами” магнитных звукоснимателей всех типов были предусилители-корректоры, усиливающие напряжение и восстанавливающие исходный спектр записанного сигнала. Компания-разработчик стандарта RIAA (RCA) – рекомендовала к использованию двухкаскадные ламповые корректоры с пассивным фильтром.

Два триода с высоким коэффициентом усиления обеспечивали достаточную чувствительность (усиление 45 дБ на частоте 1 кГц), но лишь при подключении корректора к высокоомной (~200 кОм) нагрузке. Наибольшее же распространение в ламповой технике 1960-х годов получила схема “универсального” корректора на пентоде EF86.

В транзисторной схемотехнике 60-х и отчасти 70-х годов преобладала двухкаскадная схема активного фильтра на биполярных транзисторах, работавших в режиме ОЭ, предложенная J. Dinsdale в 1965 году.

Все корректоры, построенные по этой схеме звучали очень посредственно и ни один из них не стал “классическим”. Недостаточный запас усиления порождал заметный спад АЧХ на нижних частотах, недостаточная скорость нарастания выходного напряжения – спад и нелинейные искажения на верхних частотах, на средних частотах АЧХ заметно отклонялась от стандарта из-за неточного расчета корректирующих цепей. Конструкторы 60-х с этими недостатками мирились, так как низкое качество шасси и тонармов тогдашних бытовых проигрывателей лишало смысла какие-либо усовершенствования корректоров.

В 70-е годы положение изменилось. На массовый рынок вышли новые высококачественные проигрыватели, и слабым звеном воспроизводящего тракта стали именно корректоры. Вначале конструкторы сосредоточились на совершенствовании традиционной схемотехники, по мере перехода бытовой электроники на двуполярное питания усилителей постепенно распространилась и более новая топология с входным дифференциальным каскадом. Лучшие схемы 70-х годов на дискретных транзисторах имели отклонение АЧХ от стандарта RIAA на доли децибела при отношении сигнал/шум 70…74 дБ.

С выходом на рынок доступных интегральных схем проектирование корректоров с активной фильтрацией заметно упростилось. В корректорах применялись специализированные микросхемы малошумящих УНЧ с дифференциальным входом, например TDA2310 и LM381. В первую половину 70-х годов, под влиянием авторитета JLH (John Linsley Hood) широкое распространение получила схема на ОУ в инвертирующем включении с параллельной обратной связью.

После публикации H. P. Walker “Low-Noise Audio Amplifiers” (Wireless World 1972) более широкое распространение получила малошумящая, но несколько более сложная в расчете и настройке схема на ОУ в неинвертирующем включении с последовательной обратной связью.

Отношение сигнал/шум улучшилось, а точность коррекции ухудшилась из-за специфических для этой схемы искажений АЧХ на высоких частотах и недостаточного запаса усиления интегральных операционных усилителей. Математический аппарат для точного расчёта активных корректоров этого типа был опубликован Stanley Lipshitz “On RIAA Equalisation Networks” (1979). Вместе со со схемотехникой фильтров совершенствовалась и схемотехника усилительных каскадов. В 80-е годы конструкторы разработали множество совершенных высококачественных схем корректоров на дискретных биполярных и полевых транзисторах, но по мере выхода на рынок малошумящих ОУ с низкими искажениями эти технически сложные решения остались невостребованными. 🙂

В самом конце “виниловой” эпохи ММ (Moving Magnet) звукосниматели захватили массовый рынок, а верхний сегмент рынка заняли звукосниматели МС (Moving Coil). МС звукосниматели известные еще с 30-х годов, отличались в общем-то лучшим качеством звучания, но долгое время оставались невостребованными из-за низкой чувствительности. Компоненты и схемотехника 70-х годов не позволяли создавать действительно высококачественные и малошумящие каскады усиления сигнала с уровнем шума измеряемого сотнями или десятками микровольт и поэтому основным средством усиления сигнала от МС звукоснимателей были (и есть) 🙂 повышающие трансформаторы.

Полностью транзисторные корректоры (без входных трансформаторов) для МС звукоснимателей, получили более-менее широкое распространение только после выхода фундаментальной статьи Douglas Self “Design of moving-coil head amplifiers” (December 1987).

Цифра и “цифрит”. Мысли вслух. Часть 3

После публикации частей 1 и 2 потребовались некоторые дополнительные пояснения.

Очевидно, что “цифра”, записанная на CD – не является “точной цифровой копией” исходного аналогового сигнала. Это всего лишь набор цифровых данных для проведения дальнейших вычислений.

В самом простом варианте эти вычисления должен производить выходной каскад ЦАП, который по сути является аналоговой вычислительной машиной и в общем случае это интегратор – интерполятор. Проведение аналоговых вычислений с требуемой точностью – та еще задача, поэтому логично провести вычисления в два этапа. На первом этапе – сделать пересчет (передискретизацию) исходных цифровых данных, рассчитав дополнительные цифровые отсчеты и таким образом существенно облегчив задачу для второго этапа – точного интегрирования и интерполяции “аналоговой машиной” большего числа отсчетов. По ходу выясняется, что в процессе передискретизации неизбежно возникают так называемые “цифровые шумы” – ошибки в данных, вызванные конечной точностью алгоритмов вычислений, аппаратные помехи, вызванные схемотехническими особенностями построения цифровых схем и т.п. То есть – на этапе обработки цифровых данных результат вычислений желательно “фильтровать” 🙂 и только после этого преобразовывать в аналоговую форму. Цифровая фильтрация, в свою очередь, хоть и позволяет существенно очистить данные от ошибок передискретизации, но вносит свои, характерные ошибки “цифровой фильтрации”, плюс аппаратные помехи.

Оцифровка аналогового сигнала в формат DSD – пожалуй является “более-менее точной цифровой копией” исходного аналогового сигнала. И вроде как (в теории) 🙂 преобразование “цифровой копии” в аналоговую должно происходить легче – достаточно очень простой “аналоговой вычислительной машины” – обычного интегратора. Но на практике – в реальной жизни – все портят особенности схемотехники – уровень аппаратных помех при таком “простом” решении получается слишком уж большим, интеграция устройств и оптимизация трассировки дорожек платы, монтажа компонентов в некоторой степени решают проблему – но не полностью. В итоге – без предварительной обработки и фильтрации цифровых данных обойтись не получается, то есть характерные ошибки результатов вычислений и аппаратные помехи неизбежно присутствуют и в этом случае – но их характер все-таки предсказуемее, чем в случае передискретизации PCM.

И да, часто возникает подозрение, что в некоторых ЦАП помимо цифровой фильтрации происходит и DSP исходных данных. Очень уж своеобразно интерпретируется разными ЦАП вроде бы одно и то же звуковое пространство.

Июль 2020 г.Владивосток

Собственные шумы грампластинки. Ставим точку.

Удивительно, но общего мнения о динамическом диапазоне и уровне шума грампластинки почему-то не существует, вероятно как из-за различий в методиках измерения и представления данных, так и из-за разброса качества самих пластинок. Различные источники приводят значения динамического диапазона от 50 dB для низкокачественных массовых тиражей до 80 dB для образцовых пластинок, нарезанных непосредственно рекордерами (по мнению Douglas Self, величина 80 dB точно завышена 🙂 ).

По данным Аполлоновой и Шумовой, рассматривавших классическую технологию 1960-х годов, уровень шума нарезаемых рекордером лаковых дисков составляет −63…-69 dB относительно уровня 10 см/с. Следующий технологический шаг – изготовление металлического диска-оригинала – ухудшает отношение сигнал/шум на 6 dB, а штамповка серийных пластинок – ещё на 4 dB. Таким образом, уровень шума пластинки обычного тиража составляет ~ −53…-59 dB относительно уровня 10 см/c (~ −47…-53 dB относительно уровня 5 см/c).

В более поздней и более совершенной технологии DMM рекордер нарезает запись в тонком слое мелкокристаллической меди, нанесенном на стальную подложку. Уровень шума медного диска, измеренный на выходе эталонного тракта воспроизведения, составляет ~ −70…−72 dB относительно уровня 8 см/c, а расчётный уровень шума самой записи, без учёта “вклада” проигрывателя и корректора – составляет ~ −72,5…−75,5 dB (лучшие значения соответствуют скорости 45 об/мин, худшие – 33⅓ об/мин). Малотиражная штамповка пластинок по технологии DMM ухудшает отношение сигнал/шум на 2…8 dB, то есть до ~ −62…−70 dB (−58…−66 dB относительно уровня 5 см/c).

Итак, новая пластинка обычной штамповки имеет средний уровень шума – 56dB, а отшамованная по технологии DMM – 62dB.

Июль 2020 г.Владивосток

Цифра и “цифрит”. Мысли вслух. Часть 2

Котельников, его теорема, выходной каскад ЦАП и DSD

Считается доказанным, что любой стохастический (произвольный, случайной формы) сигнал, спектр которого выше определенной частоты равен нулю, может быть восстановлен по цифровым отсчетам, взятым через одинаковые промежутки времени, частота следования которых более чем в два раза должна превышать верхнюю частоту в спектре исходного сигнала. Для восстановления нужно каждый отсчет умножить на так называемый “Базис Котельникова”, который представляет собой некую интерполяционную функцию определенного вида.

Итак, еще раз – для точного восстановления сигнала необходимо производить определенные математические вычисления над имеющимися отсчетами – тем или иным способом 🙂

В случае с NOS ЦАП эти вычисления производит аналоговый выходной каскад, на вход которого с микросхемы ЦАП подается некие фиксированные уровни напряжения или тока, пропорциональные значению цифровых отсчетов, а на его выходе – изменения напряжения должны быть “гладкими”, “аналоговыми”. 🙂 Общепринятая схемотехника такого выходного каскада – интегратор напряжения (ФНЧ) с мощным буферным каскадом. Для меня совершенно очевидно, что функционально простое интегрирование отсчетов – лишь очень грубое приближение к реально требуемым математическим вычислениям по формуле Котельникова и таким образом строго говоря – ни один из ЦАП не способен 100% точно восстановить исходный аналоговый сигнал.


Попробуем хотя бы в первом приближении “По Котельникову” восстановить исходный аналоговый сигнал из цифрового, записанного в формате CD-audio. Формула восстановления сигнала:

kotelnikova-teoremy-nischeta-

t – текущее время, n – номер отсчета, T – период, через который берутся отсчеты 1/44.1кГц = 22.7мкс.

Предположим, что исходный аналоговый сигнал – обычный синус. Необходимо определиться, сколько нужно вычислить промежуточных значений между соседними отсчетами. В практике приближенных инженерных вычислений, для уверенного восстановления синуса достаточно 15…20 отсчетов. Возьмем 15 отсчетов. Для получения любого промежуточного значения нам нужна сумма ряда от “-” до “+” бесконечности. В реальности длительность сигнала, который записан на CD ограничена по времени 🙂 , поэтому логично снизить количество учитываемых отсчетов в сумме ряда до какого-нибудь конечного числа.

Для этого произведем такую оценку: через какое время пик (максимальное значение) функции станет меньше, чем единица младшего разряда.

Сигнал у нас 16 разрядный (CD-audio). Производим оценку:

kotelnikova-teoremy-nischeta-

Здесь 0<t<T, синус во времени меняется от -1 до +1 (заменяем на 1, что тоже неверно с точки зрения математики, но вполне допустимо с точки зрения физики процесса). Решая неравенство относительно “n”, получаем, что надо учитывать минимум 20860 отсчетов. Формула восстановления сигнала требует брать отсчеты не только “назад”, но и “вперед”, значит надо учитывать уже 41720 отсчетов.
Это значит, что относительно текущего момента времени, для достоверного восстановления текущего значения амплитуды сигнала необходимо использовать как 20860 “прошлых” отсчетов, так и 20860 “будущих” отсчетов, то есть необходим некий промежуточный буфер исходных цифровых данных, над которыми производятся вычисления, плюс некий буфер для хранения результатов. В тот момент, когда обработаны все отсчеты до времени t=T, последний отсчет из “прошедшего” времени убирается из буфера и добавляется следующий отсчет из “будущего” времени. Текущее время изменяется в пределах 0<t<T.

Это очень упрощенная математическая модель идеального ФНЧ для формата 16/44. Такой фильтр невозможно реализовать в рамках аналоговой схемотехники, но методом цифровой обработки исходных отсчетов вполне можно посчитать любой промежуточный отсчет между двумя соседними исходными.

Оценим необходимые нам вычислительные мощности. Согласно формуле восстановления сигнала очевидно, что для получения одного значения необходимо выполнить 6 действий. Для получения необходимого количества (15) промежуточных значений в реальном времени необходимо выполнить:

N=15*(6+1(сумма ряда))*41720*44100 ~ 193 млрд. операций в секунду.

Если использовать таблицу готовых sin(x)/x, вычислений нужно меньше: одно умножение и одно сложение на каждый отсчет.

N=15*2*41720*44100~ 55 млрд. операций в секунду

Конечно, алгоритм вычислений можно оптимизировать. Например – брать не
15 отсчетов, а один. В этом случае:

N = ~ 3.7 млрд. операций в секунду – что тоже довольно много.

Можно формулу Котельникова использовать в варианте интерполяционной формулы Уиттекера – Шеннона. По всей видимости, можно применить и так называемое “быстрое” преобразования Фурье. Вероятно, этот вариант наиболее реально реализовать в “железе” – и скорее всего он уже кем-то реализован.

Для меня совершенно очевидно, что в реальном масштабе времени интерполяция с необходимым уровнем точности невозможна, а ошибки, вносимые процессом пересчета и интерполяции – тем заметнее, чем менее стационарен был оцифрованный сигнал. На практике это значит, что в оцифрованном для CD звуке нет очень многого из того, что присутствует в изначально аналоговой записи. А в аналоговой записи нет многого, что можно услышать в живом звуке.

Так же очевидно, что оцифровка в формате DSD позволяет свести ошибки до минимального технически достижимого (на сегодняшний момент) минимума. По всей видимости это значит, что DSD оцифровки мастер лент и (или) “прямая” DSD запись с последующим воспроизведением через Native-DSD ЦАП позволяют в итоге получить качество звучания, наиболее приближенное к “старой доброй” аналоговой записи. Но для обработки DSD в “реальной жизни” необходимо применение цифровой фильтрации. (см. Часть 1). Очередная “петля времени” ?

Февраль 2020 г.Владивосток

Цифра и “цифрит”. Мысли вслух. Часть 1

Оцифровка, ее запись и воспроизведение

Для удобства дальнейших рассуждений представим, что на АЦП подается сигнал с виниловой пластинки, на которой присутствует дефект, создающий острый импульс в некоторый момент времени. В цифровом образе этот импульс будет записан ровно в тот момент, когда он появился в звуковой дорожке, без какого-либо предварительного “звона”. **** В равной степени это справедливо для любого одиночного короткого высокочастотного сигнала, в том числе и музыкального, записываемого на студийном оборудовании 🙂

Но, по какой-то причине – после прохождения классического Цифрового Фильтра (ЦФ) с АЧХ и ФЧХ, близкой к идеальной, на осциллограмме восстановленного ЦАП сигнала практически всегда обнаруживается предшествующий “звон” или выброс, которого не было в исходной фонограмме. Значит ли это, что ЦФ вносит искажения?

На мой взгляд, правильный ответ нужно искать не только в особенностях цифро-аналогового преобразования, но и в особенностях аналого-цифрового преобразования. Тот самый импульс на дорожке виниловой пластинки перед АЦП прошел через необходимый в таком случае ФНЧ, но этот ФНЧ реализован в виде реальной электрической схемы, то есть не идеален. За счет этого  какая-то часть спектра импульса, лежащая выше частоты дискретизации АЦП обязательно останется в сигнале. И в момент аналого-цифрового преобразования (записи) АЦП создаст цифровой образ ослабленного импульсного сигнала у которого все гармоники частот, находящихся выше частоты дискретизации, будут включены в звуковой частотный диапазон.

Далее, при воспроизведении сохраненного оцифрованного сигнала (файла) ЦАП восстановит аналоговый сигнал, который соответствует исходному сигналу, плюс конечно и ультразвуковую часть спектра, включенную в область звуковых частот. То есть – восстановится импульсный сигнал, казалось бы успешно “отфильтрованный” на этапе аналого-цифрового преобразования и – более того,  из-за неидеальности цифро-аналогового преобразования этот сигнал будет иметь форму, весьма далекую от исходной – с выбросами и предварительными “звонами”. Строго говоря, в том что они появились нет никакой проблемы или неисправности ЦАП и Цифрового Фильтра. Информация о них есть в самой цифровой фонограмме и она обязательно проявятся, если ее восстанавливать максимально точно математически. Можно сказать, что ЦФ в ЦАП как бы “не знает”, что исходный сигнал прошел аналоговый ФНЧ перед оцифровкой 🙂

То есть – “Математически Точный” Цифровой Фильтр не “фильтрует” некий исходный цифровой сигнал – а по заданным алгоритмам воссоздает заново некую цифровую последовательность, информацию об исходном сигнале.

Существуют Цифровые Фильтры, которые не имеют “звона” при восстановлении импульса, но они не являются математически точными, так как вносят значительные фазовые и (или) амплитудо-частотные искажения. Идеальный ФНЧ имеет полосу пропускания от 0 Гц и по шкале времени (фазы, по сути) работает симметрично от минус до плюс бесконечности, что на практике (в “железе”) реализовать невозможно. Не идеальный ФНЧ можно сконструировать ограничив шкалу времени от нуля до бесконечности (ограничить по фазе) и такими образом убрать предварительный “звон”, но – невозможно добиться одновременно отсутствия “звона” и ограничения частотных и (или) динамических (“амплитудных” 🙂 ) потерь в сигнале и отсутствия восстановления гармоник частот помех.

На практике обычно применяют два наиболее распространенных способа.

Первый способ – наиболее прост – согласиться на потери в исходном сигнале. Поскольку предварительный “звон” имеет сравнительно узкий частотный спектр, близкий к половине частоты дискретизации, то применив Цифровой ФНЧ с пониженной частотой среза можно существенно ослабить его заметность. Например можно выбрать частоту среза ФНЧ =19 kHz вместо 22 kHz и выбрать менее крутой спад АЧХ, что почти гарантированно ослабит различные паразитные ВЧ составляющие исходного сигнала. При этом, конечно неизбежно теряется и часть полезного сигнала, но существенно снижается заметность цифровых артефактов (aka “цифрит”) и исчезает “звон” при воспроизведении импульсов.Такие Цифровые Фильтры  обычно имеют в своем названии слово “Soft”.

Второй способ – отказаться от Цифрового Фильтра, но при этом уйти вверх по частоте дискретизации, тем самым транспонируя спектр помех и их гармоник существенно выше звуковой области. В частности, если при воспроизведении файлов выполнить передискритизацию с частотой ~192K, то применяя только Аналоговый ФНЧ на выходе ЦАП с частотой среза, например ~ 50 kHz, то можно добиться хорошего компромисса по качеству звука при широкой полосе воспроизводимых частот в области ВЧ, минимальных фазовых искажениях и очень низком уровне остаточных ультразвуковых составляющих помех и их гармоник.

То есть, логично получается вполне очевидный вывод, что для воспроизведения CD-rip’ов и  студийных исходников 48…192K без их конвертации в DSD лучше всего подойдет Hi-Res PCM ЦАП без ЦФ и с несложным аналоговым ФНЧ в выходном каскаде. 🙂

Январь 2020 г.Владивосток

P.S. К таким выводам меня привел довольно старый пост неизвестного автора на одном из форумов по оцифровке “винила”. К сожалению, имя автора и название форума я не запомнил.

Итоги выставки :)

Найдено на просторах Facebook. Умозаключения, которыми делились с автором посетители выставки Российский Hi-End 2018:

  • Все советские лампы говно, так как нет настоящего американского звука!
  • Все импортные лампы говно, так как нет настоящей советской надежности!
  • Все транзисторные усилки говно, так как нет настоящего теплого лампового звука!
  • Все ламповые усилки говно, так как в них нет настоящей транзисторной скорости!
  • Корпуса АС из массива дуба говно, так как звенят!
  • Корпуса АС из МДФ говно, так как не звучат!
  • Корпуса АС из фанеры просто говно!
  • Все рупорные АС говно, так как динамика есть, но голоса нет!
  • Все нерупорные АС говно, так как нет ни динамики ни чуйки!
  • Все новодельные АС говно, так как в них нет винтажного тепла!
  • Все винтажные АС говно, так как в них нет современной детальности!
  • Все старые мультибитные ЦАПы говно, так как нельзя слушать хайрезы!
  • Все новодельные дельта-сигмы говно, так как нет «той самой музыкальности»!
  • Все СД плееры говно, потому что «только винил рулит»!
  • Весь винил говно, потому что «звук говно, одни щелчки»!
  • Все файлы говно, потому что нет ни щелчков, ни настоящего звука СД!
  • Все роликовые вертушки говно, так как нет пассиковой бесшумности!
  • Все пассиковые вертушки говно, так как нет роликового драйва!
  • Все прямоприводные вертушки говно, потому что «они для диджеев же!»
  • Все фирменные кабели говно, потому что «развод богатых буратин на деньги»!
  • Все авторские кабели говно, ровно по тому же самому, только еще и не звучат!
  • Все кабели из электротоваров говно, «что, не могли на стенд нормальные кабели купить»?
  • Все полипропиленовые конденсаторы говно, потому что «синтетика прет»!
  • Все бумаго/масло говно, потому что «сладкий кисель»!
  • Все шелковые пищалки говно, потому что «рано валят»!
  • Все металлические пищалки говно, потому что «рак ушей»!
  • Все ленточные пищалки говно, потому что «нет меди в звуке»!
  • Все фильтры первого порядка говно, потому что нифига не фильтруют!
  • Все фильтры высоких порядков говно, потому что «убивают музыку»!
  • Все бумажные диффузоры говно, потому что нет жесткости!
  • Все полимерные диффузоры говно, потому что нет мягкости!
  • Все динамики кроме BMR говно, так как нет плотности!

Пожалуй, следует обратить внимание на динамики BMR (Tectonic)  🙂

Баланс, который на самом деле – Мост.

Довольно часто “подвинутые и дорогие” усилители для наушников имеют так называемый “балансный” выход. Можно ли его на самом деле считать “балансным” и какие преимущества он дает?

Проясним термины.

“Балансным” или “симметричным”  принято называть такой принцип передачи сигнала, при котором один сигнал передается сразу двумя “потоками”, где второй поток инвертирован относительно первого, то есть передается в противофазе. Те из аудиотехников, которые постоянно работают с профессиональной концертной аппаратурой прекрасно знают, что коммутация компонентов балансными кабелями позволяет эффективно бороться с помехами и наводками на кабели.

Balance_Sig_01

Итак, при балансном типе передачи  сигнал “раздваивают” и один из “раздвоенных” сигналов инвертируют. Передача ведется по двум проводникам, при этом предполагается, что внешние помехи в одинаковой степени наводятся на оба проводника . В приемнике один из сигналов инвертируют “обратно” и суммируют с не инвертированным. Полезный сигнал складывается и увеличивает свою амплитуду вдвое, а наведенные помехи компенсируются.

В чем преимущество?

Преимущество такой передачи сигнала очевидно – можно использовать кабели большой длины и при даже низком уровне сигнала на стороне “приемника” не будет наводиться значительных помех. В профессиональном сценическом звуковом оборудовании широко используются балансные кабели диной от 2 и до 50 метров. Поскольку при балансном соединении передача сигнала ведется по двум проводникам, то балансный кабель – это всегда как минимум три проводника для одного канала (при трех контактах  в разъеме один проводник или экран – это “общий”).

В условиях жилого помещения  уровень наводок и помех, по сравнению с сценической площадкой – незначителен и соединение по балансному стандарту не практично в плане излишнего усложнения схемотехники – так как из-за увеличения количества активных компонентов схемы разделения, двойного инвертирования и сложения могут внести больше искажений в исходный сигнал. То есть для “домашней” аппаратуры преимущества балансного подключения совершенно не очевидны.

Загадка “балансного” усилителя.

На мой взгляд, термин “балансный” усилитель возник в теме персонального аудио как часть маркетинговой стратегии продаж обычных усилителей с мостовым включением нагрузки. Загадочное название появилось для “отвязки” от ненужной ассоциации с концертным оборудованием, которое, в самом общем случае – совсем не “Hi-End” и даже не “Нi-Fi” 🙂

Схема  мостового включения нагрузки выглядит так:

Balance_Sig_02

Как известно, стратегия маркетинга начинается с “визуализации”. На рисунке выше – визуально видны разделение и симметрия сигнала. Отсюда – первоначальное, еще осторожно- красивое название такой конструкции как “симметричный усилитель”, а немного позднее из профессионального аудио был заимствован заманчивый и в чем-то загадочный термин  – “балансный”. Для тех, кто хотя бы более-менее “в теме” – верное название обозначенной конфигурации было и осталось прежним  – мостовое включение, то есть – такой способ коммутации нагрузки, когда два усилителя работают на одну нагрузку, удваивая напряжение на ней.

Где, когда и зачем необходимо мостовое включение нагрузки.

Потребность в мостовом включении уходит “корнями” в особенности характеристик транзисторов. Особенность работы усилительного каскада на транзисторе таковы, что амплитуду тока в нагрузке можно получить довольно большую, а вот диапазон напряжений, в котором транзистор работает более-менее линейно – весьма ограничен. Для большинства аудио усилителей допустимое напряжение источника питания не превышает 50В, таким образом, для обычной домашней акустики сопротивлением, например 8 Ом, очевидно вычисляется технологическое ограничение по подводимой мощности =  ~ 150 Вт (RMS).  – что в общем-то для домашних условий – более, чем достаточно.  А вот для концертной акустики требуется повышенная мощность, получить которую можно лишь увеличив напряжение – и именно для этого используется мостовое включение нагрузки. Забавно, что для низкочувствительных наушников проблема получения требуемой мощности чем-то похожа на проблему с концертной акустикой. 🙂

Зачем нужен режим повышенной мощности в усилителях для наушников?

Есть ряд моделей изодинамических наушников, которым требуется усилитель с высоким выходным напряжением, примерно таким, как у мощных усилителей для акустики. Но – обычные домашние усилители мощности далеко не всегда можно использовать для наушников – как правило фоновые шумы и помехи от блока питания, не слышные при прослушивании через акустические системы, хорошо слышны в наушниках. При этом, из-за сравнительно высокого сопротивления нагрузки требования к выходному току отбираемому нагрузкой от такого усилителя существенно (в разы) ниже, чем для усилителя для акустики.

Возможно ли улучшение качества звучания при мостовом подключении нагрузки?

Если взять два “средних” усилителя с низким уровнем искажений при низких амплитудах сигнала, то для одной и той же нагрузки – при мостовом подключении может показаться, что возможно сохранить качество звука при более высоком уровне громкости. Или – на той же громкости при мостовом подключении может показаться, что искажения могут быть ниже, чем при обычном. На самом деле – из-за технологического разброса компонентов создание полностью идентичных усилителей невозможно, и еще более нереально обеспечить полностью идентичную термостабильность их характеристик в пределах общего конструктива. Неидентичность характеристик неизбежно ведет к ошибке сложения сигнала на нагрузке и к росту уровня искажений. Близкая идентичность характеристик уменьшит ошибку сложения сигнала, но приведет к изменению спектрального состава искажений.

Таким образом, для “средних” усилителей для наушников применение мостового подключения нагрузки исключительно для увеличения громкости мне кажется бессмысленным – как с точки зрения качества, так и относительно стоимости конструкции.

Но – если применить индивидуальный подход – то есть решение с минимально технологически возможным набором компонентов максимального качества, продуманную и термостабильную схему с индивидуальной подстройкой режимов каждого экземпляра, грамотную архитектуру блока питания, то – при условии балансного источника сигнала мостовое подключение нагрузки действительно способно полностью решить проблему получения необходимого уровня мощности при отличных качественных показателях.

Итак, конкретизируем.

Термин “балансный усилитель” по отношению к усилителю для наушников – всего лишь маркетинговый термин, обозначающий усилитель с мостовым подключением нагрузки. Более того, не существует ни одной модели наушников, излучатели которых можно было бы подключить по реальной балансной схеме, с тремя сигнальными проводниками на канал. Соединение каждого из излучателей с усилителем каждого из каналов по двухпроводной схеме по сути – мостовое, его преимущество заключается только в возможности получить на нагрузке сигнал удвоенной амплитуды напряжения. Никакого преимущества в смысле уменьшения уровня искажений сигнала на нагрузке такое подключение не дает. Спектральный состав искажений при мостовом подключении нагрузки – отличается от спектра искажений при “обычном” подключении.

Апрель 2016г.                                                                    г. Владивосток

P.S. При покупке готового “фирменного” усилителя не стоит недооценивать маркетологов, которые умело играют на сформированном ими же мнении, что  “балансный усилитель – это вершина качества” и на самом деле выпускают на рынок весьма посредственные бюджетные модели.

P.S.S. Хотел бы отметить, что задача создания комплиментарной пары недорогих, мощных, высоковольтных и одновременно линейных транзисторов окончательно так и не была решена.

P.S.S.S. Проблема получения нужного напряжения для “раскачки” изодинамических наушников, которая так мучительно трудно решается в транзисторных усилителях – для усилителей на лампах вообще не проблема. Всех дел на пять минут –  нужно лишь выбрать подходящий выходной трансформатор – и никаких “мостов” 🙂