Решил ввести новую рубрику. Вряд ли меня сейчас хватит на какие-то большие тексты, так что попробуем с короткими. Сегодняшняя тема ликбеза - искажения.
Упоминание искажений чаще всего предваряется словом "нелинейные". Про интермодуляционные искажения мало кто знает, а, например, динамические и переходные искажения вообще известны только инженерам, хотя не менее важны. Слово "нелинейные" очень интересно тем, что "не" в нём лишь приставка, а значит искажения могут быть и линейными. И вот здесь начинается всё самое интересное, потому что...
Линейные искажения действительно существуют.
Вопреки названию, линейные искажения - это не что-то вида функции y(x) = a * x + b, эквивалентное повороту ручки громкости и смещению по постоянному току. Линейные искажения - это любые искажения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, которые не вносят в спектр сигнала новых составляющих, но при этом могут как угодно изменять амплитудные и временные (фазовые) соотношения между существующими.
И вот тут мы возвращаемся к предыдущему тексту про реальные искажения в усилителях.
Казалось бы, если форма АЧХ нас устраивает и не вызывает фонтаны крови из ушей, а ФЧХ не слишком напоминает паровозную трубу после бури, чтобы звук был естественным, может быть и чёрт с ним? Зачем усилителю, который должен просто честно отыгрывать 20 кГц полосы, реальная полоса в мегагерц? Может быть, это всё обман маркетологов или выпендрёж инженеров, у которых в 70-е - за неимением интернета - не было другого способа помериться пиписьками?
Но, давайте вспомним Билла Гейтса, которому приписывают фразу "640 кБ хватит всем". В среде аудиоинженеров есть прямая аналогия, только касается она не оперативной памяти, а скорости нарастания сигнала. Цифры, впрочем, называются разные, но в целом все сходятся к мнению, что 25 В/мкс хватит всем.
Скорость нарастания сигнала - очень подлый параметр. Один из тех, которые раньше всегда зачем-то указывали, а теперь и вовсе позабыли. Он отвечает за интермодуляционные искажения. Если скорость недостаточная, то в сигнале появляются интермодуляции, то есть при наличии в сигнале двух составляющих с частотами f1 и f2 возникают паразитные составляющие с частотами, равными сумме f1 + f2 и разности f1 - f2 частот исходного сигнала. Или, выражаясь русским языком, невероятная грязь, которую можно наблюдать в большинстве современных усилителей, звучащих жЫрно, но совершенно отвратительно и непрозрачно. Как будто звук говном вымазали. Да, это - ОНО.
Если мы возьмём в руки калькулятор и на пальцах посчитаем, то нам никак не получить высокие значения скорости нарастания сигнала.
Вот, вроде бы, синус. За один период сигналу надо пройти интервал напряжений в две амплитуды, угол наклона кривой равен максимум 45 градусам, то есть для любой частоты f максимально необходимая скорость нарастания сигнала должна быть равна v(f) = 2 * f * A * 10^(-6), где f - частота в герцах, а A - удвоенная (peak-to-peak) амплитуда в вольтах. Десять в минус шестой - потому что вольт в микросекунду.
Для типового усилителя мощностью 75-100 Вт на нагрузке 8 ом мы получим по этой формуле величину вроде 1-2 В/мкс для частоты 20 кГц. Вот, скажете вы, ВСЕ ВРУТ!!! И будете неправы. Потому что в реальности надо копнуть чуть глубже.
Любой усилитель - это система с обратной связью. Глубина обратной связи напрямую влияет на величину искажений и снижается с частотой и увеличением амплитуды выходного сигнала. Из-за... Ограничения скорости нарастания сигнала. При этом первый полюс, то есть точка перегиба графика и начала снижения глубины ООС, обычно находится довольно низко, у очень хороших усилителей килогерцах на 10, а обычно это вообще 10-100 герц. Да-да.
Для того, чтобы усилитель имел возможность без искажений воспроизводить сигнал с частотой 20 кГц, вам надо либо увеличить ему полосу и сдвинуть первый полюс, либо увеличить ему усиление. Первый способ, родом из 70-х, правильный и сложный, второй - современный - голимый и простой. Обычно ищут компромисс между двумя этими крайностями. Но, самое смешное, что для нашего случая этот компромисс в цифрах, вне зависимости от выбранного подхода - будет одинаков.
Для простоты рассмотрим правильный способ, а именно широкую полосу частот и неглубокую обратную связь.
Чтобы обратная связь работала нормально, скорость реакции системы с разомкнутой цепью ООС должна быть не меньше таковой скорости для нормального усиления, умноженного на глубину обратной связи. Иначе - тлен и грязь, потеря стабильности и много других интересных эффектов.
Таким образом, для величины глубины ООС в 20 дБ (всего-то 100 раз), усилитель мощностью 75-100 Вт должен иметь скорость нарастания сигнала не менее 100-200 В/мкс, а реальная его полоса при этом будет составлять от 100 кГц до 1 МГц. Случай с очень глубокой ООС а-ля 140 дБ при узкой полосе в 20-50 кГц в некоторых операционных усилителях абсолютно аналогичен и даёт ровно те же цифры - физику не обманешь.
Это, кстати, косвенный признак, по которому можно хорошо оценить качество усилителя. Если вам пишут сколь угодно низкие искажения, но при этом скорость нарастания сигнала не дотягивает до адекватных величин, вы можете быть абсолютно уверены в том, что что бы ни писали в аудиомурзилках, усилитель этот звучит грязно и плохо, уровень искажений у него запредельный и покупать это не стоит.
Ну а если производитель честно указывает этот параметр, то это повод присмотреться к нему поближе, даже если мнения в мурзилках о нём расходятся или негативные. Особенно если негативные - скорее всего, производитель просто решил, что у него и так всё збс, и заплатил мало денег автору обзора. Потому что при нормальном бюджете они и радиоточку распишут так, будто это божественное откровение, от которого слепые прозревают, глухие начинают слышать и мёртвые восстают из могил.
Хороший пример здесь - Parasound, который ненавидят все мурзилки. Ну а плохой - восторженные дифирамбы Пузтейсу с его классом D, который не стесняется открыто в спецификациях врать про искажения и даже прямо приводит методику своего вранья (фильтр второго-четвёртого порядка на 20 кГц, компенсирующий реально имеющий место быть и конструктивно неустранимый в классе D экспоненциальный рост искажений с частотой). Parasound, кстати, честно указывает искажения на полной мощности и во всей полосе.
P.S. Бонус для тех, кто дочитал: истинный секрет невероятной популярности ЦАП PCM63P-K заключается именно в конском уровне интермодуляционных искажений, дающих очень жЫрный звук - в сочетании с тем, что они сосредоточены в нижней части спектра, из-за чего эта грязь не ездит по ушам.