Искажения в усилителях и ЦАПах

Измеримые и «неизмеримые» искажения

Искажения, увы, присутствуют в любом усилителе. ЦАПы тоже содержат каскады усиления, и всё сказанное ниже справедливо и для них. Все искажения делятся на две большие категории: линейные и нелинейные. Линейные искажения изменяют амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики сигнала, но не создают новых частотных компонент. Их можно, в теории, скомпенсировать эквалайзером. Нелинейные искажения, в отличие от линейных, привносят в сигнал что-то новое и не обладают свойством обратимости, т.е. «сделать как было» уже невозможно.

Часто в аудиофилских кругах возникает миф о неких «неизмеримых» составляющих, которые теряются в тракте. Согласно этому мифу, в звуковом сигнале присутствует этакое «живаго», которое нельзя зафиксировать, но которое сильнее всех страдает при прохождении через каскады усиления. Логика безупречна — если не поймали, значит, есть нечто неуловимое. Однако с инженерной точки зрения верен научный подход: существуют типы искажений, которые с большим трудом поддаются регистрации стандартными методами, но они не являются «неизмеримыми» в принципе. Это могут быть сложные динамические эффекты, микроискажения от пассивных компонентов или артефакты цифровой обработки, которые слабо влияют на интегральные показатели вроде THD, но заметны на слух.

Ключевые факторы нелинейных искажений в усилителях

Нелинейные искажения возникают из-за множества факторов, присущих реальным электронным компонентам. Их можно классифицировать по значимости и механизму возникновения. Понимание этих факторов — первый шаг к проектированию усилителя с высоким качеством звучания. Ниже приведены основные причины появления нелинейных искажений в порядке убывания их значимости для большинства схем.

1. Статическая нелинейность передаточной функции

Это основная причина гармонических и интермодуляционных искажений. Она вызвана нелинейной зависимостью выходного напряжения от входного у активных элементов (транзисторов, ламп). Эта нелинейность порождает искажения, которые хорошо описываются общепринятыми коэффициентами Кг (коэффициент гармоник, THD) и Ки (коэффициент интермодуляционных искажений, IMD). Такие искажения эффективно ослабляются отрицательной обратной связью (ООС) прямо пропорционально её глубине.

2. Динамические изменения свойств схемы

Эта группа искажений связана с тем, что параметры схемы меняются во времени под воздействием самого сигнала. Они сложнее для анализа и компенсации.

2.1 Динамическая нелинейность передаточной функции

Этот вид искажений выражается в скачкообразном уменьшении коэффициента усиления при превышении допустимой для данного усилителя скорости изменения сигнала (Slew Rate). В отличие от статической нелинейности, эти искажения не могут быть ослаблены при помощи ООС, так как в момент их возникновения петля обратной связи фактически разрывается. На осциллограмме тест IMD 20 и 22 кГц; видно, что выходной сигнал имеет разную скорость нарастания вверх и вниз, и совсем уже не похож на входной. Спектр и вовсе ужасный.

2.2 Искажения в конденсаторах

Конденсаторы, особенно электролитические и керамические, вносят заметный вклад в искажения. Существует как минимум два типа искажений в конденсаторах. Первый — это изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения. В плохих конденсаторах (в том числе во всех электролитических) этот эффект способен привести к искажениям в несколько процентов. Второй тип порождён эффектом диэлектрической адсорбции (поглощения) заряда. Он заметен на самых низких частотах и проявляется как «память» конденсатора. Отличный трактат по конденсаторам здесь http://www.electroclub.info/article/capacitors1.htm и здесь http://www.cliftonlaboratories.com/capacitor_voltage_change.htm. В последней статье авторы произвели измерения зависимости ёмкости от напряжения и потерь на поляризацию диэлектрика.

Напрашивается вывод о третьем типе искажений, трудноуловимом, но, скорее всего, самом вредном. Признак искажений этого типа — скрежет и замыленность на ВЧ, неясные, замусоренные СЧ, невнятность стереоимиджа и общая «ненастоящесть». Это часто связано с нелинейностью диэлектриков в целом, включая материалы печатных плат и изоляцию проводов.

2.3 Тепловые искажения (ТИ)

Тепловые искажения — это искажения, порождённые тепловыми процессами в компонентах. Фрагменты схемы, особенно активные элементы, динамически нагреваются проходящим через них током звуковой частоты. В нагретом состоянии их свойства (например, коэффициент усиления транзистора) слегка меняются, что и отражается на сигнале. ТИ малозаметны в малосигнальных цепях, но наиболее заметны в выходных каскадах усилителей мощности и в громкоговорителях, где текут большие токи. Тепловые искажения, происходящие внутри петли ООС, ослабляются пропорционально её глубине. Однако сама цепь ООС им подвержена в полной мере и требует тщательного выбора элементов, например, использования прецизионных резисторов с низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

3. Амплитудно-временные искажения

Фактически, это комбинация статических нелинейных и линейных искажений, происходящая в амплитудно-нелинейном усилителе с неравномерной АЧХ. В случае устойчивого усилителя эти искажения также ослабляются ООС прямо пропорционально её глубине. Они проявляются как изменение характера искажений в зависимости от частоты сигнала.

Гармонические и интермодуляционные искажения: что важнее?

Для описания искажений можно применить некую «описательную» характеристику — порядок искажений. Под порядком искажений понимают математическую степень нелинейности передаточной функции, от которой в основном и зависит спектральный состав искажений. Для ламп (триодов) эта степень примерно 3/2, для полевых транзисторов — квадратичная, для биполярных — экспоненциальная. Усилители с низкой степенью нелинейности (например, однотактные на триодах) генерируют преимущественно гармоники низких порядков (2-ю, 3-ю), которые могут быть даже благозвучны. Усилители со сложной передаточной функцией (многокаскадные, с глубокой ООС) могут генерировать целый шлейф гармоник высоких порядков, которые очень неприятны на слух.

Производители часто указывают только общий Кг (THD), при этом ничего не говорится о спектральном составе этих искажений. Усилитель с общим Кг = 0.01% может звучать посредственно, если в спектре доминируют высокие гармоники. Неверно рассуждать об искажениях, рассматривая только гармонические, безотносительно интермодуляционных (IMD). Те же нелинейности, которые порождают гармоники, с абсолютной неизбежностью порождают и интермодуляции. На самом деле, гармонические искажения — это частный случай интермодуляционных.

Интермодуляции возникают, когда через нелинейный элемент проходят два или более тона (например, f1 и f2). В результате на выходе появляются не только их гармоники, но и комбинационные частоты (f1+f2, f2-f1, 2f1-f2 и т.д.). Интермодуляции высокочастотных составляющих сигнала попадают в том числе на средние частоты, в зону наибольшей чувствительности слуха, и не маскируются основными тонами. Порог слышимости на средних частотах составляет около 0 дБ SPL, и важно, чтобы продукты IMD были ниже этого порога. Отсюда требование: уровень гармонических искажений на высоких частотах всего тракта не должен превышать порога слышимости на средних частотах. Для звукового давления 96 дБ это означает, что уровень гармоник на ВЧ не должен быть более -95 дБ, или 0.0018%.

Методы измерения и анализа искажений

Для исчерпывающего численного определения искажений необходимы и достаточны несколько спектрограмм, полученных с использованием двухчастотного сигнала. Моделирование и измерения показывают, что усложнение тестового сигнала (вплоть до подачи шумового) не ведёт к появлению каких-либо новых, сравнительно со случаем 2-х частотного тестирования, составляющих. Современный анализ искажений опирается на спектральный анализ с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), что позволяет визуализировать всю картину продуктов искажений.

Измерение коэффициента гармонических искажений (THD+N)

Это самый распространённый, но и самый ограниченный метод. На вход устройства подаётся чистый синусоидальный сигнал одной частоты (обычно 1 кГц). На выходе с помощью режекторного фильтра удаляется основная частота, а оставшийся сигнал (сумма гармоник и шума) измеряется. Результат выражается как THD+N (Total Harmonic Distortion plus Noise). Его главный недостаток — он не показывает спектральное распределение гармоник и полностью игнорирует интермодуляционные искажения.

Измерение интермодуляционных искажений (IMD)

Более показательный метод, использующий два или более тонов. Существует несколько стандартов:

• SMPTE IMD: Используются два тона, один низкой частоты (например, 60 Гц) и один высокой (например, 7 кГц), с соотношением амплитуд 4:1. Измеряются боковые полосы вокруг ВЧ-тона, вызванные модулированием его НЧ-тоном.
• CCIF/ITU-R IMD: Используются два близкорасположенных ВЧ-тона (например, 19 кГц и 20 кГц) равной амплитуды. Измеряются продукты разностной (1 кГц) и суммарной частот, а также продукты более высоких порядков. Этот тест особенно чувствителен к динамическим искажениям и ограничениям по скорости нарастания.

Анализ IMD спектрограмм позволяет судить о характере убывания гармоник. Слух человека малочувствителен ко второй и третьей гармоникам, но обладает потрясающей чувствительностью (до 0.0001%!) к высоким гармоникам, начиная с пятой. Малость общего IMD предполагает и малость интермодуляций высоких порядков, а исследование IMD с высокой точностью (лучше -105 дБ) может объяснить многие «необъяснимые» нюансы звучания.

Многотоновые и шумовые тесты

Для более полного моделирования реального музыкального сигнала используются многотоновые (multitone) тесты. На вход подается сигнал, состоящий из десятков или сотен синусоид с определёнными частотами и фазами. На выходе анализируется спектр в «тихих» зонах между тонами. Любая энергия в этих зонах является продуктом искажений. Этот метод дает наиболее полную картину поведения устройства под нагрузкой, близкой к реальной. Аналогично, для диагностики намагниченности сердечников аудио-трансформаторов используется низкочастотный сигнал (20-30 Гц), который выявляет гистерезисные потери, проявляющиеся в виде сильных четных гармоник.

Специфика искажений в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП)

Искажения в ЦАПах носят совсем не такой примитивный характер, как в аналоговых усилителях. Они являются сложной комбинацией артефактов цифровой обработки, ошибок квантования и нелинейности аналоговой части. Многие ЦАПы на классическом периодическом сигнале демонстрируют отменный THD, однако сильно отличаются друг от друга по звучанию. Это связано с тем, что их реакция на сложный, непериодический сигнал (как музыка) сильно отличается.

Технология Upsampling (передискретизация)

Передискретизация, или интерполяция с целым коэффициентом, появилась почти 30 лет назад. Основная причина её внедрения — упрощение и удешевление аналогового фильтра нижних частот (ФНЧ) на выходе ЦАПа. Цифровой фильтр искусственно поднимает частоту дискретизации (например, с 44.1 кГц до 352.8 кГц) и заполняет образовавшиеся временные «дыры» вычисленными значениями. Проблема в том, что процедура передискретизации не является финитной, то есть для точного пересчёта необходимо обработать огромный кусок аудиофайла. Реальные чипы используют упрощённые алгоритмы в реальном времени, что вносит свои ошибки.

На слух это «упрощение» может восприниматься как некоторая потеря чёткости и подёрнутая «песочком» локализация. Кроме того, при увеличении частоты дискретизации количество «скачков» на выходе ЦАПа увеличивается. Каждый такой скачок имеет неидеально прямоугольную форму и небольшой выброс («глитч»). Неидеальность формы приводит к тому, что на время переходного процесса мы имеем неверное значение. Upsampling — это технический компромисс, заставляющий микросхему ЦАПа работать на повышенной частоте в ущерб её точности, в обмен на упрощение конструкции в целом.

Природа искажений в Сигма-Дельта ЦАПах

Современные сигма-дельта ЦАПы (например, PCM1794, ES9038PRO) представляют собой сложные многоконтурные вычислительные устройства. Типичная структура включает два цифровых фильтра и непосредственно ЦАП. Первым служит интерполятор (тот самый Upsampler). На вход второго, сигма-дельта модулятора, поступают данные с высокой частотой (например, 384 кГц). В модуляторе происходит повторное повышение частоты до десятков МГц с одновременным понижением разрядности до нескольких бит (1-7). Этот высокочастотный низкоразрядный поток затем преобразуется в аналог. Основной недостаток такого подхода — наличие так называемого шума квантования, который модулятор «выталкивает» за пределы слышимого диапазона (noise shaping). Если аналоговый ФНЧ на выходе спроектирован неидеально, этот ультразвуковой шум может проникать в последующие каскады усилителя и вызывать в них интермодуляционные искажения, которые уже попадают в слышимый диапазон.

Сравнение архитектур ЦАП: Мультибитные, Сигма-Дельта и R-2R

Выбор архитектуры ЦАП оказывает фундаментальное влияние на характер звучания и тип вносимых искажений. Хотя современные чипы любой архитектуры могут демонстрировать впечатляющие паспортные данные, их принципы работы и, как следствие, субъективное восприятие звука, кардинально различаются. Нет единой «лучшей» архитектуры — каждая имеет свои сильные и слабые стороны.

Мультибитные ЦАП (R-2R Ladder)

Это «классическая» архитектура, где каждому биту цифрового слова соответствует свой источник тока, коммутируемый на выход. Самая известная реализация — матрица R-2R. Основное преимущество R-2R ЦАПов — прямое преобразование без передискретизации и формирования шума. Сигнал преобразуется «бит в бит», что многие слушатели воспринимают как более естественное и динамичное звучание. Главные недостатки — высочайшие требования к точности резисторов в матрице (любое отклонение порождает нелинейность) и «глитч-энергия» — короткие импульсные помехи в момент переключения старших битов. Легендарные чипы, такие как PCM1704, требовали ручной триммировки на заводе для достижения высокой точности.

Сигма-Дельта (ΣΔ) ЦАП

Сегодня это доминирующая архитектура, используемая в 99% потребительских устройств. Как описано выше, она использует экстремальную передискретизацию (oversampling) и формирование шума (noise shaping) для достижения высокой линейности и разрешения с помощью очень простого (часто 1-битного или нескольких битного) внутреннего ЦАПа. Главные достоинства — низкая стоимость, высокая интегральная точность и нечувствительность к разбросу параметров компонентов. Основные недостатки — сильная зависимость от качества цифровых фильтров и модулятора, а также потенциальные артефакты, связанные с ультразвуковым шумом квантования и временной структурой сигнала.

Принципы построения аудио тракта с низкими искажениями

Построение правильного тракта — это искусство компромисса и глубокого понимания физических процессов. Не существует единственного рецепта, но есть ряд фундаментальных принципов, которые позволяют минимизировать искажения и добиться чистого, неокрашенного звучания. Главная цель — сохранить исходный сигнал с максимальной точностью на каждом этапе его пути.

Роль и глубина отрицательной обратной связи (ООС)

Экспериментально выяснено, что окраска, возникшая внутри усилителя, охваченного ООС, подавляется наравне с прочими искажениями. Именно поэтому схемы со сверхглубокой (более 90 дБ) ООС могут звучать ясно и естественно. По мере увеличения глубины ООС окраска становится всё менее заметной, звук в целом становится всё более чётким и деликатным, а сцена — всё более глубокой и осязаемой. На наших стендах удаётся отличить сверхглубокоосник с глубиной ООС 95 дБ от композитного усилителя с глубиной ООС 110 дБ. Однако неглубокая ООС в ламповых усилителях — это не фича, а бага, вызванная низким собственным усилением ламп, что не позволяет ввести глубокую связь.

Минимизация количества усилительных каскадов

Типичный ЦАП насчитывает как минимум два каскада усиления: преобразователь ток/напряжение и буферный сумматор. Далее по тракту часто можно встретить предварительный усилитель и только после него — усилитель мощности. Интересно, что выходной уровень ЦАПа (обычно 2 В) уже достаточен для большинства усилителей мощности, то есть никакого «предварительного усиления» не требуется. Более того, для комфортной громкости требуется ослабление. Идеальный тракт может состоять из ЦАПа, высококачественного пассивного регулятора громкости (например, лестничного аттенюатора на прецизионных резисторах) и усилителя мощности. Это исключает из пути сигнала как минимум один активный каскад со всеми его искажениями и шумами.

Выбор компонентов и топологии

Неполное понимание природы нелинейности диэлектриков не мешает нам делать изделия, от неё свободные. Это достигается выбором правильных компонентов: плёночных конденсаторов (полипропилен, полистирол) вместо керамики и электролитов в сигнальных цепях, металлоплёночных резисторов с низким ТКС, и качественных материалов для печатных плат. Также важна топология: разделение земель, минимизация длины сигнальных путей, экранирование чувствительных цепей и грамотное проектирование блока питания, способного отдавать пиковый ток без просадок напряжения.