Бросание игральной кости. Проектирование нового усилителя PS Audio PerfectWave [перевод]

Бросание игральной кости. Проектирование нового усилителя PS Audio PerfectWave [перевод]

Я часто думаю о своей жизни так, как будто ее прожили разные люди. Я чувствую себя сейчас по-иному, чем когда я был мальчиком, подростком, молодым человеком. Настолько по-иному, что как мне кажется, это почти совсем разные люди. И один из этих людей раньше был гораздо более нетерпеливым, чем я сейчас. Настолько более нетерпеливым, что всякий раз, когда приходил в наше конструкторские бюро с выражением на лице, полным азарта, инженеры бежали от меня, как от огня, стараясь сохранить здравомыслие. Я тогда регулярно хватался за «руль», чтобы остановить один проект и начать другой. И хотя я все еще не полностью излечился от этой привычки, я бы сказал, что стал намного лучше в этом аспекте, чем в былые дни.

Я научился терпеливо стоять в очереди и ждать, когда она дойдет до меня. Например, как в случае с усилителем мощности, который мы сейчас проектируем. Я терпеливо жду, когда можно будет проверить последний вариант входных схем. Наконец-то я теперь переместился на первое место в очереди, и хотел бы вас кратко познакомить с тем, что находится под его верхней крышкой.

Те из вас, кто регулярно следит за моими постами, возможно, помнят, как я отложил запуск проекта усилителя PerfectWave, релиз которого был запланирован на этот декабрь 2013-го, лишь потому, что не был доволен его звуком. А именно — его звучанием на высоких частотах, чтобы быть конкретным. Верхов у него просто не было. Уверен, что измеряемые параметры у него идеальные, но на слух этот усилитель звучал тускло и безжизненно.

Мои подозрения, почему так произошло, концентрируются на входных каскадах этого усилителя мощности, которые в свою очередь можно разбить еще на две секции: входную и выходную. Первоначально входные каскады были основаны на комбинации биполярных и JFET полупроводниковых устройств в классической полностью балансной схемотехнике на дискретных элементах. Там было использовано множество полупроводниковых приборов, включенных параллельно в каскадах усиления, с минимальной обратной связью, буферными схемами на биполярных транзисторах с высокими выходными токами, и входными буферными схемами на JFET транзисторах с высоким импедансом. Это был один из вариантов схемы, которую мы использовали в течение многих лет, и она служила нам верой и правдой.

Но сложность импульсных выходных каскадов компании Hypex такова, что, как я предполагаю, они проявляют некоторые скрытые особенности схем такого типа — причем в большей степени, чем мне хотелось бы. Эта их скрытная природа идет рука об руку с глубиной обратной связи в этом каскаде и с тем, каким образом все это реализовано.

Я знаю, что у некоторых из читателей от таких моих рассуждений не только вздымаются вверх брови, но даже шевелятся волосы на затылке. Но я все же осмелюсь сказать вам, что по мере того как уровень обратной связи идет вниз, степень открытости звучания, идет вверх. В самом деле, там, кажется, имеется прямое соотношение 1:1, когда вы прослушиваете простой предусилитель.

Поэтому же, вы можете спросить, почему бы просто не удалить все обратные связи и оставить то, что есть? Ну, в конце концов, это именно то, что я сделал, но это произошло не без больших терзаний с моей стороны, как конструктора, так как обратная связь обеспечивает ряд преимуществ, которые должны быть реализованы каким-то другим способом, если вы собираетесь получить нужный результат.

Идти против шерсти

Удалить все обратные связи, как вам может показаться, очень просто, но здесь есть некоторые весьма серьезные проблемы, и я постараюсь их изложить, не вдаваясь особенно в технические подробности.

В первую очередь, это на 100% идет вразрез с тем, что хочет Бруно Путци (Bruno Putzey), блестящий конструктор выходных каскадов бренда Hypex, которые мы, вероятно, будем использовать. Бруно настолько тверд в своем убеждении, что обратной связи не бывает слишком много, что написал статью под названием «F-Word» в которой разъясняет, почему никакая отрицательная обратная связь не бывает чрезмерной. Бруно намного умнее, чем я. Прочтите эту статью, если вы хотите быть ослепленным. Но я — просто конструктор, который знает только то, что он слышит. То, что я слышу, это более открытое и прозрачное звучание, когда во входных каскадах усилителя меньше обратной связи. Так что мой первый барьер — это развенчание людей, которые верят в цифры. Хорошо, я уже преодолел его.

Второе препятствие — это сам модуль Hypex. Для модулей Hypex требуется входной каскад, чтобы иметь низкое выходное сопротивление. На деле, чем оно ближе к нулю Ом, тем лучше измеренная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя. Отрицательная обратная связь помогает вам получить низкое выходное сопротивление. Она действительно очень помогает. Если бы нужно было сосредоточить все силы на достижении нулевого выходного импеданса (на таких высоких частотах, как 2МГц), чтобы правильно запитать модуль Hypex, то первое, что вы захотели бы сделать, это ввести уйму обратной связи. Но это до тех пор, пока вы не прислушаетесь к результатам. Иногда и я так делаю.

Третьим препятствием является соотношение искажений и амплитуды сигнала на выходе. Для правильного усилителя, нужно иметь низкий уровень искажений и высокую амплитуду на выходе, так чтобы иметь неограниченный динамический диапазон в пределах ограничений, налагаемых усилителем и системой. Как мы много раз уже обсуждали в этих постах, динамический диапазон — это большое дело, и современные цифровые аудио устройства обладают широким диапазоном. Худшее, что вы хотите иметь в усилителе мощности – это изменение характера звука, когда музыка становится громкой. Наоборот, мы все хотим получить от наших систем прозрачное звучание без напряжения. Чтобы добиться одновременно и низкого уровня искажений и высокую амплитуду сигналов на выходе, конструкторы, как правило, пользуются обратной связью. Но все это трудно реализовать, если ваша цель — нулевая обратная связь.

Есть еще много других проблем, но если о них начать рассказывать, этот пост будет слишком длинным. Так что, держа все эти задачи в голове, я задался целью сконструировать входной каскад с нулевой обратной связью и с чрезвычайно низким выходным сопротивлением, а также с низким уровнем искажений и большим размахом выходного сигнала. Чтобы справиться с этой проблемой, в компоновку и трассировку печатной платы были внесены существенные изменения. Оригинальная плата была заполнена в основном электроникой усилительного тракта, на долю которой приходилось 80% площади, а оставшиеся 20% занимал блок питания. Новая плата выглядела совсем по-другому.

Вот фотография новой печатной платы. Территория, непосредственно рядом с правой рукой техника, за четырьмя большими желтыми пленочными конденсаторами является каскадом, состоящим из двух MOSFETS транзисторов, по одному для каждого плеча этого балансного каскада. Все остальное на этой плате относится либо к выходному каскаду, либо к блоку питания.

Близко к завершению

Мы были близки к завершению. Совсем близко. Техник закончил начинку элементами нового входного каскада, наш главный инженер Боб Штадтхер (Bob Stadtherr) принес и проверил его, и мы с ним весело провели целых полдня, настраивая отклик на последовательность прямоугольных импульсов, а затем вдруг наступило 5 вечера. 5 часов вечера в пятницу, 21 декабря. В последний день рабочей недели для многих людей в компании PS Audio.

В это время позвольте мне рассказать вам о настройке отклика на последовательность прямоугольных импульсов и еще немного об этой сцене. Около 4 часов Терри (моя жена) вошла в лабораторию, где Боб и я сгрудились вокруг осциллографа, расхваливая друг друга за красоту импульсов на выходе нового каскада. Мы сияли от гордости. «Посмотри-ка!», — сказал я Терри. Вы знаете, как смотрят на вас люди, когда они думают, что у вас в голове «шариков не хватает»?

«Серьезно? В самом деле? Вы, две зануды, которые любуются этими кривыми на экране осциллографа, хотите знать, что я о вас думаю?». Нет, мы, наверное, и не хотели знать, что думает о нас Терри. Благослови ее сердце.

Ничто не сравнится с хорошим откликом на последовательность прямоугольных импульсов входного каскада. Я знаю, что это звучит смешно, потому что мы не можем прислушиваться к этим импульсам, но на самом деле они могут рассказать нам многое о том, как схема будет звучать. Не все, заметьте, но многое.

Прямоугольная волна — это коллекция синусоид. Существует фундаментальная или главная синусоида, которая располагается на заданной вами частоте, а затем идет последовательность синусоид более высоких частот, амплитуда которых постепенно снижается, и они заполняют фронты импульсов. На протяжении многих лет, как конструктор, вы видите много таких картин, позволяющих сделать вывод, как ваш усилитель будет работать. Вы может многое рассказать на основе того, как выглядят фронты и тылы импульсов. Вот фотография, которую я позаимствовал из обзора в журнале Stereophile.

Не важно, к какому продукту относится это изображение и откуда оно взято. Может быть все, что угодно. Давайте вместо этого сосредоточиться на том, как на этом примере выглядит фронт прямоугольного импульса. Видите маленький «зубец» в самом начале? Маленький острый край? Такой усилитель, как правило, будет звучать «ярко», если у вас есть этот выброс. Вы можете увидеть этот недостаток при использовании обратной связи. Вы можете увидеть его и в других ситуациях, но если это результат действия обратной связи, то неминуемо возникнут последствия для звучания.

Я уверен, что технократы будут ворчать по этому поводу, но я просто поделиться с вами многолетним опытом работы. Если такой острый выброс присутствует в каскаде усиления с GNFB (общей отрицательной обратной связью), то почти неминуемо усилитель будет иметь «жесткий» или слегка «яркий» звук, характерный для топологии такого типа. Да, разработчик может добавить конденсатор, чтобы немного сгладить зубец, но это само по себе не поможет улучшить звук, таким образом только изменится вид этой области на экране осциллографа. Если выброс появился из-за обратной связи, то ее снижение или устранение есть один из верных способов получить более качественный звук. Можно также исправить характеристики разомкнутой цепи (без GNFB) так, чтобы при замыкании петли обратной связи (добавить опять GNFB), зубцов не было. Но это тема для другой, отдельной дискуссии.

Это то, что можно узнать за многие годы наблюдений за осциллограммами и слушая звучание различных схем.

Теперь посмотрим на эту последовательность прямоугольных импульсов. Посмотрите, насколько приятно, округло и плавно она выглядит? Сравните ее с первой осциллограммой. Если вы видите такой тип отклика на экране, и он является выходом простой схемы с отрицательной обратной связью (GNFB) или без нее, то на слух результат будет гораздо приятнее (например, музыкальнее).

Это именно те вещи, которыми мы, «зануды» восхищаемся на работе. Стоит ли удивляться тому, что я весь издергался в ожидании прослушивания новой схемы?

Оригиналы: Rolling the dice, Going against the grain, Close but no cigar

Об авторе: Пол МакГоуэн (Paul McGowan) – директор (CEO) и сооснователь компании PS Audio Inc. из города Боулдер, Колорадо, конструирующей и выпускающей High End-аудио продукты и сервисы.

ТЕГИ:#PS Audio
63.01 дБ +

Комментарии

Чтобы оставить комментарий, войдите, пожалуйста.