Заядлые меломаны, музыканты и звукорежиссеры давно заметили, что существует разница в звучании мощных ламповых и транзисторных усилителей ЗЧ. В отношении измеренных значений своих параметров транзисторные усилители не уступают, а иногда и превосходят ламповые. Но при прослушивании транзисторных УЗЧ нередко появляется так называемое "транзисторное звучание". Оно проявляется в искажении естественного тембра музыкальных инструментов и может быть лаконично охарактеризовано как потеря естественной "легкости" звучания, недостаточная "прозрачность" звука, а также специфическое воспроизведение ВЧ-составляющих сигнала, выражающееся в ощущении их "трудного" прохождения через звуковоспроизводящий тракт.
Проведенные исследования показали, что данный эффект у разных усилителей одного и того же класса проявляется совсем не одинаково. Исследователи классифицировали усилители, упорядочив их в порядке ухудшения звучания и усиления "транзисторного звука". В результате, российские специалисты констатировали: появление "транзисторного звука" связано с коэффициентом нелинейных искажений, с оговоркой, что все остальные параметры усилителей одинаковы. Этот вывод подтверждается результатами, полученными рядом западных исследователей [1-3], показывающими сильное влияние нелинейности амплитудной характеристики, оцененной по коэффициенту нелинейных искажений сигнала. Следует отметить, что на качество звуковоспроизведения негативно влияют не только нелинейные искажения. В значительно большей степени это связано с комбинационными составляющими спектра сигнала, возникающими в силу нелинейности амплитудной характеристики при одновременном усилении сигналов с различным частотным спектром [4].
При исследованиях комбинационных составляющих использовались рекомендации МЕК для измерения так называемых "TIM-искажений" (Transient Inlermodulation Distortion). На вход усилителей подавались сигналы с частотами 3,18 кГц и 15 кГц с одинаковой амплитудой, обеспечивающей выходную мощность с уровнем меньше номинального на 3 дБ.
Результаты испытаний подтвердили теоретические предположения о том, что выходной сигнал у транзисторных усилителей более богат гармониками (наблюдается наличие примерно 11 гармоник), нежели у ламповых (спектр насчитывает до 5 гармоник), что оказывает влияние на субъективное восприятие звуковой картины. Кроме того, оказалось, что спектр комбинационных частот транзисторных усилителей "плотнее", нежели у ламповых. Эти особенности в спектре гармоник и комбинационные составляющие являются, по мнению авторов, одними из основных причин появления "транзисторного звучания".
Из вышесказанного следует очевидный вывод о том. что нормы для коэффициента нелинейных искажений (Кни) ламповых усилителей неприменимы для транзисторных УМЗЧ. Для них допустимые Кни должны быть значительно меньше. То же самое справедливо и для коэффициента интермодуляционных искажений. Предвидя трудности целенаправленного воздействия на ширину спектра гармонических составляющих полезного сигнала, единственный метод борьбы с "транзисторным звучанием" состоит в уменьшении Кни до значения, при котором влияние комбинационных частот сигнала субъективно не ощущается. Для этого необходима методика оценки нелинейных искажений, позволяющая однозначно определить порог, ниже которого "транзисторное звучание" не проявляется.
Метод оценки качества усилителей с помощью TIM-искажений существенно не отличается от хорошо известного спектрального метода, но неприменим на практике, поскольку требуется новая специализированная измерительная аппаратура. Как показывают исследования, приведенные в [6], nодносигнальный метод вполне применим для оценки Кни в любой звукотехнической системе с равномерной АЧХ, что легко достигается в высококачественных усилителях Hi-Fi. Приведенные ниже результаты получены в результате экспериментов, проведенных по односигнальному методу.
В силу присущей транзисторам нелинейности построение усилителей без введения специального устройства для уменьшения нелинейных искажений невозможно. Наиболее эффективно снижает Кни введение отрицательной обратной связи (ООС). Во избежание ряда неприятностей, с которыми сталкивается каждый конструктор при разработке выходного каскада с ООС [6, 7]. необходимо соблюдать следующие правила:
- уменьшать количество каскадов, охватываемых общей ООС;
-использовать компенсирующие цепи для удаления четных гармоник в некоторых каскадах;
- вводить местные ООС.
Лучше всего удовлетворяет указанным требованиям УМЗЧ, разработанный и построенный Линчем Маршалом [8]. Этот усилитель сравним с ламповыми усилителями. Соответствующие результаты отражены в таблице.

Устранение эффекта "транзисторного звучания" мощных УМЗЧ

При испытаниях усилители включались по схеме, приведенной на рис.1. Здесь U1 — студийный магнитофон. Z1 — многополосный эквалайзер. А1 и А2 — усилители, качество звучания которых сравнивается. Чтобы не нарушать чистоту эксперимента, в громкоговорителях отсутствовали частотные фильтры, вносящие фазовые искажения. Акустические системы (собственной конструкции) имели громкоговорители ф.Gudmans, характеризующиеся малыми нелинейными искажениями в диапазоне частот 0,03...16.5 кГц. В качестве источника сигнала использовалась программа, записанная на студийной аппаратуре на ленту А4615-6Р со скоростью 38.1 см/с с высококачественной граммофонной пластинки, воспроизводимой проигрывателем "Otophon", встроенным в граммофонное шасси "XL-1550" устройства "Pioneer". Во избежание перегрузки на входах усилителей задавались такие уровни сигналов, чтобы даже при пиковой выходной мощности она оставалась на 3 дБ ниже максимальной.

Устранение эффекта "транзисторного звучания" мощных УМЗЧ

При прослушивании ощущалось превосходство усилителя №1 над усилителями №2 и №3 в отношении "чистоты" и "прозрачности" звуковой картины при передаче высших составляющих звукового спектра. Кроме того, для получения примерно одинакового сбалансированного (по тембру) звучания, характеристика эквалайзера усилителя №1 была равномерна, тогда как при работе с усилителем №2 требовался подъем + 10 дБ в частотном интервале от 1 до 16 кГц. Усилитель №3 уступал по качеству звуковоспроизведения всем остальным.
Для ламповых усилителей с №4 и №5 не выработалось единой точки зрения, однако было установлено, что они не имеют никаких преимуществ перед усилителем №1. В этой связи были проведены дополнительные испытания усилителя №1 при включении его в двухполосный ламповый звуковоспроизводящий комплекс с электромеханической обратной связью (ЭМОС) и с полосой пропускания (по звуковому давлению) 0,016...25 кГц. Блок-схема установки приведена на рис.2.

Устранение эффекта "транзисторного звучания" мощных УМЗЧ

В качестве испытательной нагрузки усилителя №1 (А2 на рис.2) служил резисторный делитель R1-R2, подобранный так, чтобы получить коэффициент передачи, равный n1. Проверка показала, что включение усилителя №1 в аудиокомплекс не приводит к появлению никаких "транзисторных тонов" при воспроизведении разнообразных музыкальных программ. Было установлено, что характеристики УМЗЧ №1 почти совпадают с характеристиками УМЗЧ №2, но имеют существенно более низкий Кни- не превышающий 0.04% в полосе 0,02...20 кГц. Это значение Кни. очевидно, является искомой границей, при которой исчезает "транзисторное звучание*. Взяв за основу изложенные принципы конструирования высококачественной аппаратуры ЗЧ. а также относительно дешевую элементную базу, авторы разработали усилитель мощности, схема которого приведена на рис.3.

Устранение эффекта "транзисторного звучания" мощных УМЗЧ

Предварительный усилитель состоит из эмиттерного повторителя на транзисторе VT1 и симметричного двухтактного каскада на VT2, VT3, охваченных местной ООС за счет эмиттерных резисторов R11 и R12 и общей ООС, заведенной с коллекторов VT2, VT3 через делитель R1-R2-RP3 на базу VT1. Сигнал ООС складывается там с входным сигналом. Резисторы R2 и RP3 одновременно служат делителем входного сигнала. Коэффициент усиления предварительного усилителя без ООС — порядка 100, Кни при максимальном входном сигнале — около 0,15%. Введение ООС снижает коэффициент усиления примерно до 5.5, а Кни — до 0.01%. Симметрирование каскада осуществляется резистором RP8.
Каскад "раскачки" собран на транзисторах VT4, VT5 и VT6 по схеме, аналогичной предусипителю. Коэффициент усиления этого каскада без ООС — около 100, а Кни=0,1 ...0,15%. Это достигнуто благодаря использованию транзисторов BD140/BD139 (без какого-либо подбора транзисторов по параметрам). Эмиттерный повторитель VT4 служит для повышения эффективности параллельной ООС, введенной с выхода усилителя посредством делителя R14-R15-R20. Граничная частота каскада определяется емкостями коллекторных переходов VT5, VT6 и величиной С13. Для указанной на схеме емкости С13 граничная частота составляет примерно 35 кГц. Цепочка R16-C8 корректирует АЧХ.

Устранение эффекта "транзисторного звучания" мощных УМЗЧ

Выходной каскад по схеме аналогичен усилителю "Бриг 001-стерео". Чтобы избежать увеличения Кни и появления "транзисторного звучания", используются местные ООС, реализованные на резисторных делителях R38-R39 и R40-R41-R42-RP44 с малыми сопротивлениями. Как и в предыдущем каскаде, подбор транзисторов не проводился. С помощью RP44 минимизируется Кни выходного сигнала. Без ООС Кни во всей полосе звуковых час-тот составляет 0.5...0,7%, коэффициент усиления — 2.7.
Ток покоя выходных транзисторов устанавливается около 100 мА с помощью RP30. а установка "0" на выходе производится резистором RP24.
С общей отрицательной обратной связью, охватывающей "раскачивающий" и выходной каскады. Кни при максимальной выходной мощности во всем частотном диапазоне составляет 0,02% (измерялся компенсационным методом). При исключении фильтра НЧ, образованного цепочкой R14-C6, в режиме "малого сигнала" (на вход подавался сигнал с уровнем, составляющим 0,1 от номинального) верхняя граничная частота усилителя составила 1.8 МГц!
Для предотвращения самовозбуждения усилителя на выходе установлен компенсатор Бушеро — R54-L1. Катушка L1 (индуктивность — около 0,3 мкГн) намотана на R54 (по всей длине) проводом 0.8 (1,0) мм.
В усилителе возможны следующие замены nэлементов: VT1, VT3, VT4, VT7, VT8 — ВС546В, 2Т3167В(С), ВС107. КТ315В(Г); VT2, VT9 — ВС556В, ВС177В(С), 2Т3307В(С), KT361B(Г);VT5 — 2T9140C,КT814B; VT6 — 2Т9139С. КТ815В: VT10 —2Т7638В. КТ626В; VT11 —2Т7637В, КТ807Б; VT12, VT13 — KD3442. 2N3442, 2N6259A, KD502. Транзистор VT7 промазывается теплопроводящей пастой и закрепляется на радиаторе возле VT12 или VT13 (вверху радиатора). В заключение можно сказать, что:
- "транзисторное звучание" вызвано несовершенством стандартной схемотехники УМЗЧ и самой структурой полупроводников;
-"транзисторное звучание" исчезает при снижении Кни до 0,03...0.04% в рабочей полосе частот;
- при современной элементной базе низкий Кни достигается при достаточно глубокой общей ООС.

Литература
1. Otata M. Transientlntermodulation Distortion in Comercial Audio Amplifiers. — Jorurnat of the Audio Engineering Society, 1974, May.
2. Marsha» Leach W. Transient IM Distortion in Power Amplifiers. — Audio, 1975, February.
3. Baxandoll P.J.Audio Power Amplifier Design. — Wireless World, 1978, January.
4. Вольф В.М. Об интенсивности гармонических и комбинационных составляющих при нелинейных искажениях колебаний сложной формы. — Акустический журнал, 1955, т.1. вып.4.
5. Раковский В.В. Измерения в аппаратуре записи звука кинофильмов. — М.: Искусство, 1962.
6. Зуев. П. О динамических искажениях в транзисторных усилителях НЧ. — Радио, 1978, №8. С.ЗЗ.
7. Майоров А. Динамические искажения в транзисторных усилителях низкой частоты.— Радио, 1976, №4, С41.
8. Marshall Leach W. BuiW a low TIM Amplifiers. — Audio, 1976, February.
9. Тюлиев Н. Усилитель 40 W. — Млад конструктор, 1983, №4, С.З.

Д.Костов, В.Тодоров.