Термин «демпфирование» происходит от немецкого dämpfen — заглушать и означает, соответственно, меры для предотвращения ненужных колебаний или вибраций. Между тем фирма QUAD еще в середине 1970-х годов разработала технологию current dumping и успешно применяет ее в своих усилителях. Но какие могут быть демпферы для тока, тем более, что в названии технологии употреблено слово dumping (сброс), а не привычное damping?
Как работает транзистор?
Начнем с азов. Как работает транзистор? Мне он представляется электронным аналогом шлюза. Вообразим реку, перегороженную плотиной с воротами. Когда они закрыты, течения нет, когда открыты полностью, скорость течения максимальна. Наиболее распространенный транзистор, т.н. биполярный, имеет три электрода — эмиттер (издающий электрод), базу и коллектор (принимающий электрод). Эмиттер транзистора можно приравнять к истоку реки, коллектор — к устью, а базу — к воротам шлюза. Сколь бы высоким ни было напряжение между эмиттером и коллектором и какой бы ни была его полярность, при отсутствии напряжения на базе ток через транзистор не пойдет.
Но стоить подать на базу сравнительно небольшой потенциал нужной полярности, как транзистор откроется, от эмиттера к коллектору устремится ток значительной силы (кстати, в английском языке электрический ток и водное течение обозначаются одним словом «current»). При этом сигнал, снимаемый с коллектора, по форме будет практически точно соответствовать сигналу, подаваемому на базу. На данном принципе основаны все полупроводниковые усилители. Зависимость тока коллектора от тока базы называют усилением по току, и эта величина колеблется от нескольких единиц до нескольких тысяч.
— Значит, усилитель можно собрать на одном транзисторе?
— Теоретически — да, но это также сложно, как создать автомобиль на одном колесе. С одноламповой схемы и зарождалась усилительная техника — в начале ХХ века, когда американец Ли Де Форест изобрел триод (1906). Не случайно же Де Форест назвал свое детище аудионом?!
Главное — выход
Качественный усилитель состоит из как минимум двух, а нередко трех каскадов, причем предварительные каскады являются усилителями напряжения, а выходной каскад — усилителем тока. Схема усилителя бывает однотактной или двухтактной, в зависимости от типа питания (двуполярное или однополярное). Выходной каскад двухтактного усилителя всегда состоит из пары или нескольких пар так называемых комплементарных (т.е. дополняющих друг друга) транзисторов (если они биполярные, то один представляет собой p-n-p-, а второй n-p-n-прибор). Они соединены последовательно (коллектор одного связан с эмиттером другого), а от напряжения смещения зависит класс работы усилителя. Если помимо полезного сигнала подать на базу дополнительный постоянный ток (он называется током статического смещения), чтобы даже при отсутствии полезного сигнала оба транзисторы оказались открытыми, то усилитель станет работать в классе А.
При этом переходных искажений в выходном сигнале будет минимум. Однако такая работа очень расточительна. Потребляемая мощность в два раза превысит максимальную выходную, причем независимо от уровня громкости. Иными словами, КПД такой схемы не может быть больше 50% даже теоретически. А это значит, что львиная доля забираемой из блока питания мощности превращается в тепло, т.е. в буквальном смысле пускается по ветру. Что делать? Выход очевиден — заставить транзисторы проводить ток только при наличии сигнала. Тогда при отсутствии полезной информации на входе транзисторы окажутся закрыты, а потребляемая мощность будет напрямую зависеть от громкости. Это класс работы В, при котором КПД усилителя может доходить до 78%.
Однако в чистом классе В усилители не работают никогда. Почему? Да потому что в точке перехода от положительной полуволны к отрицательной сигнал попросту исчезнет. Дело в том, что для открытия транзистора на базу необходимо подать некоторое напряжение (оно называется пороговым и составляет, например, для кремниевых биполярных транзисторов 0,7 В).
Если напряжение меньше, транзистор останется запертым (если вернуться к аналогии со шлюзом, это сила, которую необходимо приложить для открытия ворот). Но полезный сигнал вполне может оказаться меньше 0,7 В. Именно поэтому самый распространенный класс работы усилителей — АВ: при обработке слабых сигналов усилительный тракт функционирует в классе А, затем переходит в класс В. Однако проблема переходных искажений даже в этом случае не снимается до конца. Нулевая отметка сигнала — своеобразный Рубикон для усилителей.
— Речь идет о сигналах ничтожной амплитуды. Разве они могут серьезно повлиять на звучание?
— Еще как могут! Однажды вашему покорному слуге продемонстрировали одну и ту же запись, сделанную без искажений и 10% искажений на пиках сигнала. Разница в звучании была примерно такая же, как между CD и МР3, т.е. не слишком заметная. Затем воспроизвели ту же мелодию, но с 10% искажений в районе перехода через нулевую отметку (сдвинули нижнюю полуволну сигнала относительно верхней — точь-в-точь как на усилителе «чистого» класса В). Звучание стало таким, будто диффузоры динамиков порезали ножом. Причина проста — человеческое ухо гораздо более чувствительно к тихим звукам, чем к громким. Так что снизить переходные искажения — важнейшая задача.
Прямая и обратная связь со слушателями
Конструктора усилителей подстерегают и другие опасности, в частности нестабильность работы схемы. Для компенсации вводят т.н. отрицательную обратную связь, т.е. часть выходного сигнала возвращают на вход, но в противофазе с входным сигналом. Чем эта часть больше (т.е чем значительней глубина обратной связи), тем стабильнее работает усилитель. Однако за это приходится расплачиваться быстродействием, т.е. качеством отработки сигналов с крутыми фронтами, а это — вожделенные для любого аудиофила четкость и «скорость» баса. Вот и приходится инженеру искать компромисс (зачастую, очень хрупкий) между стабильностью и быстродействием.
Технология current dumping может оказать ему неоценимую услугу. При точном расчете она позволяет создать выходной каскад без необходимости подавать на транзисторы ток статического смещения. Линейность характеристики обеспечивает общая отрицательная обратная связь — известное конструктивное решение. Уникальной же особенностью схемы current dumping является очень смелое и неординарное решение — сигнал с каскада предварительного усиления (на одном транзисторе), работающего неизменно в чистом классе А и в однотактном режиме усиления подается не только на выходной каскад, но и через резисторы выходного моста непосредственно в нагрузку (буквально сбрасывается в нее, отсюда и слово dumping в названии технологии). А выходной каскад — он же усилитель тока — работает в высокоэффективном классе B и усиливает сигнал большой амплитуды. Этот каскад сделан не на комплементарной паре, а на транзисторах одной проводимости, что гарантирует большую точность параметров.
Через другой элемент выходного моста — индуктивность, усиленный сигнал накладывается на сигнал с предварительного каскада и подается в нагрузку. Через еще один резистор выходного моста осуществляется обратная связь. Так же в схеме присутствует сервосистема на операционном усилителе, которая гарантирует отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя.
Короче говоря, при переходе через нулевую отметку, на помощь выходным транзисторам приходит каскад предварительного усиления! Разумеется, выигрыша в качестве можно добиться только в том случае, когда этот каскад в состоянии преодолеть точку перехода через ноль безукоризненно (потому он и работает в классе А и в однотакном режиме). Здесь можно пожертвовать высоким КПД, поскольку мы имеем дело со сравнительно малым током, так что непроизводительные потери в абсолютном выражении окажутся небольшими. (Кстати, именно поэтому маломощные усилители для наушников так часто работают в классе А.)
О целесообразности применения технологии current dumping маститые аудиоинженеры спорили несколько лет. В конце концов после тщательных теоретических расчетов и практических измерений (при желании в интернете можно найти высоконаучные статьи, пестрящие формулами, схемами и осциллограммами) работоспособность такой схемы была признана безоговорочно.
— Почему никто, кроме QUAD, не выпускает усилители с current dumping?
— Во-первых, QUAD держит на эту технологию патент, во-вторых, для ее грамотной реализации необходимы достаточно сложные инженерные расчеты, а это под силу не каждому производителю аудиоэлектроники. Кстати, срок действия патента подходит к концу, так что в ближайшем будущем не исключено появление current-dumping-усилителей и других фирм. А пока — только QUAD. Тем более что фирме есть чем гордиться.
Технология current dumping оказалась настолько выигрышной, что созданные по ней усилители QUAD выпускает уже около 40 лет, причем без серьезных модификаций. За это время они разошлись по всему миру (общий «тираж» превысил 200 000 шт.). Недаром QUAD расшифровывается как Quality Unit Amplifier Domestic, т.е. «качественный домашний усилитель». Впрочем, только ли домашний? Профессиональными current dumping-усилителями QUAD оснащены многие крупные студии звукозаписи и концертные залы. В 1978 году компании QUAD, первому и пока единственному производителю Hi-Fi-оборудования, была присуждена премия английской королевы за технологические достижения. Для Великобритании, страны с богатейшей палитрой фирм, работающих в области высококачественного звуковоспроизведения, такая награда дорогого стоит.