HQQF-55-502D vs. Tranzistorový zvuk

Napsal uživatel Federmann Pátek, 10 duben 2009 20:15

Předmluva

Vývojem kvalitních Nf zesilovačů se v minulosti zabývala řada odborníků, kteří s příchodem digitální techniky postupně upadli v zapomnění. CD zlepšilo rozlišovací schopnost a odstup signál/šum (na cca 90dB), ale ubralo na frekvenčním rozsahu (cca 20Hz÷20kHz). Následovalo SACD a DVD audio, které opět přidalo na rozlišovací schopnosti a odstupu signál/šum (na cca 120dB÷140dB), rovněž přidalo na frekvenčním rozsahu (cca 5Hz÷100kHz), který se začal blížit někdejšímu analogovému záznamu.

V zapomnění postupně neupadla pouze řada odborníků, kteří se o Hi-Fi zesilovače a techniku zasloužili, upadla i řada problémů a znalostí, upadlo povědomí o dynamice a frekvenčním rozsahu živé či reprodukované hudby.

Dnes se nemůžeme divit, že "rádoby odborníci na Hi-Fi" vychází ze zcela mylných základů, chápou dynamiku jako omezenou na pouhých několik dB a vystačí s frekvenčním pásmem do 20kHz. Je smutné, když se kolem takových odborníků seskupí spousta mladých a začínajících lidí kde je jejich poznání od prvopočátku značně deformováno.

.

Dnes žijeme v tržním hospodářství a některé informace narušují podnikatelské záměry výrobců zesilovačů a mohly by na jejich výrobky vrhnout nežádoucí stín. Možná proto jsou často nevhodné informace spolu s jejím autorem znevažovány, pokud nepomůže ani to, pak jsou tvrdě filtrovány a zakazovány. Postupy sice nejsou demokratické, ale dočasně splní svůj účel.

Úvod

V sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století jsem se amatérsky, ale zato intenzívně zabýval vývojem Hi-Fi zesilovačů. Jak jsem již uvedl v předmluvě, jako u spousty ostatních šel život jinou cestou a Hi-Fi zůstalo i u mne stranou.

Počátkem tohoto tisíciletí jsem se k problematice postupně vrátil, nejdříve v rovině teoretické v oblasti simulací a počítačových návrhů. Teoretická rovina byla ihned doplněna rovinou praktickou. Můj problém byl v tom, že jsem zapomněl zapomnět někdejší znalosti, návyky a pravidla, najednou se o mé osobě započaly vést na internetu ne zrovna slušné debaty.

Nyní se může kdokoliv zeptat, proč takové informace vůbec uvádím a jak souvisí s HQQF-55-502D. Odpověď je velmi jednoduchá, totální neznalost mnoha "rádoby odborníků na Hi-Fi" mne opět vtáhla do víru dění a po téměř dvacetileté přestávce jsem mohl dořešit mnoho nedořešeného z mého mládí. Svět mezi tím pokročil, byla vylepšená součástková základna, zvýšila se její dostupnost a snížila cena, vznikly moderní výpočetní prostředky pro usnadnění návrhu, ale i zdokumentování své práce a výsledků.

.

Tranzistorový zvuk, noční můra ...

Tranzistorový zvuk, noční můra všech výrobců zesilovačů nezmizela jen se začala opomíjet a čekala na příchod nových formátů SACD a DVD audio. Právě výrobci zesilovačů a jejich arogance mne přiměla k tomu, abych problematice opět věnoval více času, výsledkem byl i příspěvek: Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0.

Takto se o příspěvku psalo v zahraničí: "MODERNÉ TECHNOLÓGIE Ing. Bohumil Federmann, učiteľ odborných predmetov na SŠIEŘ v Rožnově p. Radh., objasňuje vo svojom príspevku príčiny, prečo zvuk tranzistorových NF zosilňovačov, hoc spoľahlivo prenášajúcich bez skreslenia celé HiFi pásmo, znie skúsenému uchu hudobníka ako príliš „plochý“. Príčinu vidí autor v „odrezaní“ frekvencií nad 20 kHz. Ako dokázali viaceré výskumy, mnohé hudobné nástroje vydávajú zvuky v pásmach aj nad 100 kHz, pričom efektom podprahového vnímania dokáže ucho hudobníka tieto zvuky zachytiť a ich absencia spôsobuje pocit nedokonalého zvuku nástrojov. V príspevku sa autor venuje veľmi podrobne analýze uvedeného javu aj možnostiam jeho kompenzácie."

Požadavky na HQQF-55-502D

Návrh HQQF-55-502D vychází z QQF-55 KS 500W, jehož princip je popsán v Modelu části první, druhé a třetí. Každý jev se dá rozebrat, jak říkám na prvočinitele, stejně tak i Tranzistorový zvuk.

Zkoumáním chování zesilovače jako celku a dokonalým pochopením chování každého prvku se většinou dostaneme k závěru, že pro chování celého zesilovače je důležitý vstupní zesilovač za kterým následuje napěťový zesilovač a proudový zesilovač. Mé současné pojetí zesilovače je poněkud odlišné, osobně bych jej rozdělil na zesilovač a výkonové přizpůsobení.

.

Vstupní zesilovač

 Pavel Dudek popsal vstupní zesilovač následovně: "Hlavní požadavky na vstupní zesilovač výkonového stupně jsou zhruba následující: dobrá linearita a potlačení soufázové složky, vysoká rychlost, teplotní stabilita. Z běžných zapojení těmto požadavkům nejlépe vyhoví diferenciální zesilovač osazený bipolárními křemíkovými tranzistory s velkým zesilovacím činitelem, o něco méně vhodné jsou tranzistory řízené polem a to ještě jen ty typy s velkou strmostí...." 

Napěťový zesilovač

 Pavel Dudek popsal napěťový zesilovač následovně: "Úkolem napěťového zesilovače je zesílení vstupního napětí na úroveň potřebnou k plnému otevření výkonových tranzistorů. Musí být navržen tak, aby měl dobrou linearitu, vysokou rychlost přeběhu a malou výstupní impedanci. Spolu se vstupním zesilovačem musí mít tento stupeň vysoký zisk naprázdno, případně i velkou šíři přenášeného pásma. Podmínku vysokého zisku naprázdno lze snadno splnit na nízkých kmitočtech...." 

.

Zesilovač

Dle mého soudu nelze jednoduše oddělit vstupní a napěťový zesilovač, ale je třeba jej řešit jako jeden celek, který určuje podstatnou část vlastností budoucího celku. Tento zesilovač může stát zcela samostatně a fungovat jako linkový či sluchátkový zesilovač, ale také jako zesilovač kterému dáme frekvenčně závislou zpětnou vazbu.

Dynamická saturace

Zesilovač má velké napěťové zesílení a silnou zpětnou vazbu, z čehož plynou značné nároky na chování diferenciálního stupně a celkové napěťové zesílení. Mnohé o chování diferenciální dvojice,  poklesu zesílení v závislosti na Udif, jsem popsal v článku Dynamická saturace, příčina tranzistorového zvuku! Takto pojaté pojednání o diferenciální dvojici je naprosto nové, vždy se vycházelo pouze ze statických charakteristik, kdežto chování dynamické se opomíjelo.

Napěťové zesílení

Dostatečné napěťové zesílení je základem dobrého zesilovače. Mé pojetí se zde začíná značně odlišovat od zavedených zvyklostí. Stejně jak u chování diferenciální dvojce i zde jde o značný frekvenční rozsah.

Napěťové zesílení musí být nejenom dostatečně velké, ale musí bez zpětné vazby mít co největší šířku bez poklesu. Nad mezním kmitočtem přenášeného pásma musí být zesílení stále tak velké, aby nedocházelo k dynamické saturaci, nejlépe ani k poklesu zesílení diferenciální dvojice.

.

Fázová charakteristika

Fázová charakteristika je zcela samostatnou problematikou a nikdo se jí doposud vážněji nezabýval, přičemž se dá považovat za téměř nejdůležitější. Právě fázová charakteristika napoví mnohé o chovaní zesilovače na krajích přenášeného pásma, zda zesilovač ještě stíhá či nikoliv.

Rozfázování jednotlivých složek signálu může působit velmi nepříjemně a rušivě, tento druh zkreslení se však běžně neměří.

.

Zkreslení

Každý konstruktér se bezhlavě honí za linearitou jednotlivých stupňů, přičemž právě silná záporná zpětná vazba při rychlých změnách působí značně nelineárně. Osobně nekladu důraz na použití co nejlineárnějších tranzistorů, ale spíše na omezení počtu aktivních prvků a nastavení pracovních bodů.

Minimální počet vhodných aktivních prvků je nutný pro dosažení co nejmenšího fázového posuvu. Správnou volbou pracovního bodu, většinou při větším proudu, dosáhneme většího zisku a širší přenosové charakteristiky, zároveň dosáhneme menšího poklesu zesílení v závislosti na Udif.

Zapojení HQQF-55-502D

Jak je patrné ze schématu, oproti QQF-55-500W jsem použil celo-symetrické zapojení, kterým jsem získal minimálně dalších 6dB na celkovém zesílení. Proud vstupních tranzistorů neteče jen z bázového odporu, ale teče převážně mezi bázemi vstupních tranzistorů, čímž se zlepšila symetrie. Většími proudy tranzistorů v diferenciálním stupni se zvětšilo zesílení v otevřené smyčce. Použitím výkonnějších tranzistorů za diferenciálním stupněm se mohl zvednout proud těmito tranzistory a dosáhnout menšího výstupního odporu zesilovače.

Zpětnovazební kondenzátor se již nevolí v návaznosti na nejpříznivější přenosovou charakteristiku, ale volím jej v závislosti na nejlepší průběh Udif. Při optimálním zpětnovazebním kondenzátoru dosáhneme optimální přenosové charakteristiky, ale průběh Udif je neuspokojivý. Při použití velké zpětnovazební kapacity, dojde ke snížení Udif na zlomovém kmitočtu, ale na jeho cca desetinásobku dosáhneme pravého opaku a Udif hrozivě naroste. Nejlepší průběh Udif je pro zpětnovazební kondenzátor cca dva až třikrát větší než jsme byli zvyklí pro optimální průběh napěťového zesílení.

.

Závěr

Kriteria, kterými jsem se při vývoji tohoto zapojení řídil, považuji za rozhodující a nelze z nich v žádném případě ustoupit. Celkové zkreslení, dle mého pojetí dostatečně vymezuje dostatečná rezerva napěťového zesílení v celém požadovaném frekvenčním pásmu, odtud i průběh Udif a fázová charakteristika.

Nejlepší řešení je takové řešení, kdy šířka přenosové charakteristiky zesilovače bez zpětné vazby dosáhne šířky pásma, které má být přenášeno.

Pokud budou zesilovače se silnou zápornou zpětnou vazbou splňovat zde popsané, pak opravdu můžeme zapomenout na "Tranzistorový zvuk". Uvedené platí pro zesilovače obecně, nejenom pro výkonové. Brzy podrobím podobnému hodnocení některou s jiných topologii, aby bylo lépe vidět všechny odlišnosti.

Podívejte se na články se stejnou tématikou.

Diskuse