Úvod

Napsal jsem mnoho článků o zesilovačích a jejich konstrukčních chybách, například I MISTŘI se mýlí, aneb 50let slepé cesty. Texty byly často brány jako kritika či spíše útok na konstruktéry a jejich topologie zesilovačů, přestože články jako Vliv rezervy zisku na zkreslení ukazovaly zcela jasně v čem se konstruktéři dopouštěli a dopouští chyb.

Podívejme se tedy blíže na jedny z nejvýznamnějších milníků ve vývoji topologií zesilovačů, které následovaly hned po samotném objevu elektronky a sestavení prvních zesilovačů.

Harold Stephen Black

Jeden z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesl Harold Stephen Black, když patentoval Celkovou zpětnou vazbu, která není mnohými dodnes pochopena.

Harold Stephen Black podal svůj vynález na Americký Patentový úřad již 8. srpna  1928. Myšlenka však byla natolik novátorská a v rozporu s tehdejšími zvyklostmi a uznávanými standardy, že "Mistři" úředníci nebyli vůbec schopni pochopit samotnou podstatu a proto patent z počátku striktně odmítali.

Teprve po pěti letech se  H.S. Blackovi podařilo, že byl 22. dubna 1932 patent US Patentovým úřadem přijat, zveřejněn byl o dalších pět let později 21. prosince 1937 pod číslem 2 102 671. Od zrodu myšlenky k jejímu patentování, tak uplynulo neuvěřitelných 9 let!

Zde je k nalezení a nahlédnutí Blackův patent č. 2102671 z roku 1928 a zde je Blackův text z června 1934 vydaný v BELL laboratořích.

Robert R. Cordell

Další z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesl Robert R. Cordell, často vystupující pod jménem Bob Cordell. Zde si musíme uvědomit, že jeho práce vznikaly kolem roku 1980, kde nebyly běžně k dispozici simulační programy a součástková základna byla poplatná tehdejší době.

Robert R. Cordell se ve svých pracích věnovaných TIM část I. část II zaměřil na stabilitu zesilovačů a hledání podstaty zkreslení. Aby byl zesilovač vůbec použitelný, byla jeho stabilita brána jako prvotní.

Z doložených průběhů a textů TIM část I je velmi dobře patrné, že se konstruktéři na přelomu 80. a 90. let vyhýbali více zlomům na charakteristice tím, že zaváděli lokální ZV, které průběh zesílení linearizovaly za cenu snížení zesílení.

V téže době sílí rovněž snahy o zvyšování rychlosti přeběhu, vývoj se tak trochu motá v bludném kruhu, neboť lokální ZV šířku pásma snižují a tím omezují i rychlost přeběhu. V konečném výsledku se konstruktéři blíží k řešení, kdy zesilovače jsou dostatečně rychlé, ale pracují na horním konci přenášeného pásma téměř bez rezervy zisku, čímž celková ZV pozbývá na významu. 

Chybová korekce

Počátkem roku 1984 přichází Robert R. Cordell s řešením popsaném v textu A MOSFET PowerAmplifier with Error Correction*, kde jde o chybovou korekci.

Tato chybová korekce nemá za úkol nic jiného, než zpět navrátit význam celkové ZV. Účelem je nejenom vrátit rozdílové - chybové napětí z výstupu zesilovače zpět na vstup, ale navíc jej ještě zesílit aby byl vliv větší. Jinými slovy co lokální ZV v celkovém zesílení zabily, je třeba se pokusit obnovit.

Topologie z přelomu 80. a 90. let a Chybová korekce se staly vzorem pro ČS konstruktéra Pavla Dudka viz text Pavel Dudek vzestup a pád?. Jak jsem uvedl v úvodu, že "Texty byly často brány jako kritika či spíše útok na konstruktéry a jejich topologie zesilovačů", pak to zde platí dvojnásob, neboť článek popisující kus historie, vyvolal u některých doslova  hysterickou reakci, viz článek Jaromír Merhaut naprostý zoufalec či křivák k pohledání ?.

Lokální ZV

Tak se od přelomu 80. a 90. let  stalo, že zesilovačům začaly dominovat Lokální ZV. Konstruktéři neuměje řešit stabilitu zesilovače jinak než za cenu nízké rezervy zesílení, doslova zatloukali většinu stupňů zpětnovazebními kapacitami a stupňů tak přibývalo. Zesilovače s takovými topologiemi měly výkon, měly velkou rychlost přeběhu často značenou jako SR a měly na měřících přístrojích i male měřitelné zkreslení, jen ten zvuk zněl a stále ještě zní jako Tranzistorový zvuk.

CD a šířka pásma

Na přelomu 80. a 90. let vstoupil na scénu ještě jeden fenomén a tím je záznam na CD. V roce 1974 se o něm začalo uvažovat, aby v roce 1978 společnost Philips představila svůj standard, který významně zasáhl i do topologii a vývoje zesilovačů. CD bylo frekvenčně omezeno jen do 20kHz a tím se i vývoj zesilovačů a jejich topologii začal více či méně omezovat rovněž jen na oblast do 20kHz.

Bohumil Federmann

Další z velkých milníku v topologiích zesilovačů přinesla má maličkost a nyní mne mohou mnozí napadnout, že psát sám o sobě není atd. atd., ale zpět k topologiím a jejich milníkům.  Hlavní milníky jsou zejména v postavení ZV, zda celková ZV či lokální ZV, nebo jakási dodatečná ZV opravující chyby způsobené lokálními ZV a doplňující celkovou ZV v podobě chybové korekce.

B Federmann se nikdy od Blackova pojetí celkové ZV neodchýlil a považoval ji za stěžejní. V materiálu 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. popsal Dynamickou saturaci, jako konečný důsledek nedostatečné rezervy zisku. V textu SACD, blíže vinylu? se zabýval hodnotami akustického signálu, závislostí možné velikosti amplitudy na frekvenci a v článku Vliv rezervy zisku na zkreslení popsal velmi přesně přímý dopad nedostatku rezervy zisku v závislosti na frekvenci na zkreslení akustického signálu.

Rezerva zisku v závislosti na frekvenci

Rezerva zisku je pro B Federmanna dnes rozhodujícím parametrem Hi-Fi zesilovačů, určuje velikost zkreslení i poslechové vlastnosti zesilovače, které s rezervou zisku přímo korelují. Pokud se konstruktéři z přelomu 80. a 90. let snažili dostat charakteristiku zesílení zesilovače v otevřené smyčce stlačením směrem dolů a doleva co nejlineárnější, pak B Federmann se ji snažil vždy posunout co nejvíce nahoru a doprava, tedy snažil se dosáhnout pravý opak!

Stabilitu dosahoval a dosahuje velmi silnou celkovou ZV a obvodovou i prostorovou minimalizací. Obvodová a prostorová minimalizace je dle B. Federmanna velmi důležitý parametr, kdy při jeho podcenění a nezvládnutí není vůbec možné takový typ zesilovače realizovat. Takový zesilovač disponuje mnohonásobně větším zesílením v mnohem větší šířce pásma, kde se každá návrhová chyba nesčetněkrát více dokáže zúročit.

Z jednotlivých grafů můžeme odečíst rezervu zisku při 100kHz pro topologie z přelomu 80. a 90. let a jejich odvozeniny je to cca 20dB, kdežto topologie Federmann má podmínku více jak 40dB a dosahuje v tomto provedení až 70dB. Ve výsledku je to až 50dB rozdíl ve prospěch topologií Federmann, což s Blackovou celkovou ZV znamená 3.160x menší odchylku od původního signálu.

Závěr

Článek pojednává o významných osobnostech a milnících v historii a vývoji ZV ať již celkové či lokální o jejím správném či nesprávném použití a dopadech do věrnosti signálu.

Diskuse

Úvod

Stalo se již módní záležitostí vybavovat zesilovače ochranou reproduktorů proti ss napětí, k tomu nejčastěji slouží obvod ovládající výkonové relé a reproduktor je při poruše zesilovače odpojen. Odpojením reproduktoru však nikterak nechráníme samotný zesilovač, který nám případná porucha dále destruuje!

HQQF řešení

Zesilovače HQQF jsou pro tyto případy chráněny významně lépe. Obvod pro snímání ss napětí je sice obdobný jako jsou konkurenční obvody, ale samotné odpojení reproduktoru nestačí, navíc každé vložené sic výkonové relé do výkonové signálové cesty nese řadu rizik, přidává zkreslení, kontakty se opalují a výsledkem je dříve či poději významné zhoršení kvality zvuku.

V případě přítomnosti ss složky v Modulu zesilovače HQQF-55-506W-5-1 dojde k jejímu vyhodnocení, následně se uvede prostřednictvím optočlenu v činnost tyristor T1 v modulu  HQQF-55-200 inteligentního řízení napájení.

Tyristor sepne relé K2, prostřednictvím něhož odpojí napájení hlavního transformátoru, následně se zpožděním několika ms prostřednictvím OK1 a OK2 zajisti zkratování napájení koncového stupně, čímž zajistí nejenom ochranu připojených reproduktorů, ale i ochranu koncového stupně.

Grafy a měření

Na grafu je patrné vypínání, kdy vypínací proud měřeného tyristoru přiváděný z optočlenu, spíná tyristor T1 pod hranicí 60µA.

Optočlen zabudovaný v HQQF koncovém stupni má dvě diody, proto je měřena kladná i záporná ss složka. Graf je sestaven pro oba kanály Hi-Fi zesilovače HQQF.

Závěr

Z grafů je patrné, že k odpojení a zkratování napájení dojde při výskytu ss složky do cca 3V. Tato ochrana se dá využít i pro hlídání například teploty důležitých částí či jiných veličin a funkcí, kdy chceme zařízení rychle a bezpečně odpojit.

HQQF ochrany nejenom že nedegradují akustický signál, chrání reproduktory a zesilovač před poruchou a ss složkou, navíc mohou chránit proti přetížení či přehřátí. Jedině u HQQF ochran se můžete setkat s měřením vypínacích napětí a jejich charakteristik.

Diskuse

Úvod

Jak bylo popsáno v článku Ultra nízko šumové provedení zesilovače HQQF-55-506W, je možné osadit Moduly zesilovače HQQF-55-506W-5-1 na přání i OZ LT1028, který zaručí značnou rezervu zisku, velmi nízký šum, ale i možnost nastavení velké šířky pásma řádu několik a MHz.

Šířka pásma a rychlost přeběhu

Stalo se zvykem honit se za velkou rychlostí přeběhu a vydávat ji za směrodatný parametr zesilovače, jak si však ukážeme jde o naprosto zavádějící parametr, který moc nekoresponduje s kvalitou a věrností zvuku.

Stejně tak je velmi zavádějící šířka pásma, kterou lze nastavit až k charakteristice mezního kmitočtu. Pro kvalitní zesilovač je však mnohem důležitější rezerva zesílení při 100kHz, od které se odvíjí jak zkreslení, tak fázové poměry zesilovače, které na rozdíl od rychlosti přeběhu a šířky pásma přímo korespondují s kvalitou a věrností zvuku.

Na grafech je patrný průběh zesílení v otevřené smyčce zpětné vazby, který na nízkých kmitočtech sahá daleko přes 200dB. Při kmitočtech 100kHz má zapojení zesílení stále daleko přes 80dB, čímž hravě zaručí při nastaveném zesílení 20dB, požadovanou rezervu zisku daleko větší jak 40dB.

Dále je dobře patrná dosažitelná šířka pásma, která je až 5MHz, čímž se stává zapojení naprosto výjimečné. Pro reálný provoz nám postačí celkovou ZV nastavit zesílení 20dB s šířkou pásma omezit na nepatrně více jak 200kHz.

Skutečně potřebná rychlost přeběhu

V článku SACD, blíže vinylu? byl popsán samotný vývoj SACD a DVDaudia, byly popsány akustické podklady ze kterých vývoj vycházel. Bylo konstatováno, že hudba jako taková má velmi velký podíl složek nad slyšitelným pásmem, ale zároveň bylo konstatováno, že s frekvencí amplituda úměrně klesá.

Od tohoto byl přímo odvozen jednobitový převodník pro SACD. Stejné omezení najdeme při výrobě gramofonových desek, kde je možná výchylka úměrná meznímu gravitačnímu zrychlení řezacího nástroje a amplitudě.

Jak je patrné z grafu je pokles úrovně oproti nízkým frekvencím při 50kHz o cca -50dB, což odpovídá napěťovému poklesu 316:1. Zesilovač s výstupní amplitudou 50V nebude nikdy mít při akustických signálech na frekvencích 50 či 100kHz amplitudu větší jak 1V!

Sinusový průběh s frekvenci 1kHz a amplitudou 50V má největší strmost 0,16V/µs, při 10kHz to bude 1,6V/µs. Při sinusovém průběhu s frekvenci 100kHz a amplitudou 5V to bude rovněž 1,6V/µs. Odtud je patrné, že honba za desítkami voltů na µs je zcela zbytečná.

Diskuse

Úvod

Po článku HQQF V-U metr nezbývá než zveřejnit i HQQF Indikátor, který má na starosti hlídání špiček, které by hrozily limitací zesilovače a tím zhoršení kvality zvuku.

Zapojení

Zapojení je opět velmi jednoduché, kde první OZ slouží jako komparátor, zjišťující zda je signál ještě ve vymezené oblasti či nikoliv. Druhý OZ je navázán přes R-C člen, který nese paměťovou informaci o stavu signálu a v případě výskytu signálu mimo vymezenou oblast vytvoří dostatečně dlouhou informaci, která je zobrazena prostřednictvím LED diody na jeho výstupu.

Grafy

Důležité napěťové a časové průběhy jsou zobrazeny v grafu, je patrná nastavená hranice pro limitaci signálu, stejně tak je patrná prodleva po kterou se rozsvítí LED dioda na výstupu.

Důležité nastavení

HQQF Indikátor stejně jak HQQF V-U metr se připojují na výstup předzesilovače, před regulátor hlasitosti za nímž následuje výkonový zesilovač. Jen takto můžeme nastavit  optimální úroveň v přenosové cestě a víme zcela přesně kam se dostane výkonový zesilovač při přidání hlasitosti na maximum.

Je nanejvýš vhodné nastavit limitaci předzesilovače a limitaci výkonového zesilovače, tak aby nastávala při maximální hlasitosti současně, jen tak se dá využít nejlepších vlastností celé přenosové cesty.

Závěr

HQQF V-U metr a HQQF Indikátor se tak stávají dalšími prvky ve výbavě zesilovačů HQQF, které přispívají k vymezení pracovního prostoru každého zesilovače, čímž významně přispívají k dokonalosti zvuku a jen tak je u konkurence nenalezneme

Diskuse