Искажения в усилителях и ЦАПах

          Измеримые           Неизмеримые          Принципы построения правильного тракта          Искажения ЦАПов

         Искажения, увы, присутствуют в любом усилителе. ЦАПы тоже содержат каскады усиления, всё сказанное ниже справедливо и для них.

      Они делятся на линейные (искажение амплитудно-частотно-фазовой характеристики) и нелинейные.
Нелинейные искажения, в отличие от линейных, привносят в сигнал что-то новое и не обладают свойством обратимости, т.е. «сделать как было» уже невозможно.

                Факторы, ведущие к появлению нелинейных искажений (в порядке убывания из значимости)
     1. Нелинейная зависимость выходного напряжения от входного (статическая  нелинейность передаточной функции). Она порождает искажения, которые хорошо описываются общепринятыми коэффициентами Кг и Ки. Эти искажения ослабляются отрицательной ОС прямо пропорционально её глубине.

 

     2. Динамические изменения свойств схемы в зависимости от приложенного сигнала

          2.1  Динамическая нелинейность передаточной функции.
Выражается в скачкообразном уменьшении коэффициента усиления при превышении допустимой для данного усилителя скорости изменения сигнала. Не может быть ослаблена при помощи ООС. 

На осциллограмме тест IMD 20 и 22 кГц; видно, что выходной сигнал имеет разную скорость
нарастания вверх и вниз, и совсем уже не похож на входной. Спектр и вовсе ужасный.

          2.2  Искажения в конденсаторах.

Бывают как минимум двух типов. Первый это изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения. В плохих конденсаторах (в том числе во всех электролитических) этот эффект способен привести к искажениям в несколько процентов (!).

Второй тип порождён эффектом адсорбции заряда. Заметен на самых низких частотах и, вообще говоря, не очень опасен. Отличный трактат по конденсаторам здесь говоря, не очень опасен. Отличный трактат по конденсаторам здесь 
http://www.electroclub.info/article/capacitors1.htm  и здесь

http://www.cliftonlaboratories.com/capacitor_voltage_change.htm
В последней статье авторы произвели измерения зависимости ёмкости от напряжения (первый тип искажений), и, что особенно интересно,
потерь на поляризацию диэлектрика в зависимости от приложенного напряжения.

НЕТ ФОТО 

Напрашивается вывод о третьем типе искажений, трудноуловимом, но, скорее всего, самом вредном.
Признак искажений этого типа - скрежет и замыленность на ВЧ, неясные, замусоренные СЧ, невнятность стереоимиджа и общая "ненастоящесть".

           2.3  Тепловые  искажения (ТИ) это искажения, порождённые тепловыми процессами. Фрагменты схемы динамически нагреваются проходящим через них током звуковой частоты, в нагретом состоянии их свойства слегка меняются, что и отражается на сигнале. ТИ малозаметны в малосигнальных цепях, например во входных каскадах дискретных усилителей, и наиболее заметны в выходных каскадах, а так же в громкоговорителях, где текут большие токи и выделяется много тепловой энергии. ТИ, происходящие внутри петли ООС ослабляются пропорционально её глубине. Однако, сама цепь ООС им подвержена в полной мере, и  требует тщательного выбора элементов. К счастью, в хороших усилителях цепь ООС состоит всего из двух резисторов.

    3. Амплитудно-временные искажения. Фактически, это комбинация статических нелинейных и линейных искажений, происходящая в амплитудно-нелинейном усилителе с неравномерной АЧХ. В случае устойчивого усилителя эти искажения тоже ослабляются ООС прямо пропорционально её глубине.

          Вот и все объективные причины возникновения искажений в аналоговых усилителях.

Кроме величины, для описания искажений можно применить некую "описательную" характеристику - порядок искажений. Под порядком искажений понимают математическую степень нелинейности передаточной функции, от которой в основном и зависит спектральный состав искажений.



Для ламп, например, триодов (тру девайс) эта степень примерно 3/2,
для полевых транзисторов (почти тру) примерно квадратичная,
для биполярных транзисторов (нОт тру) - логарифмическая.
Поскольку реальные усилители имеют несколько каскадов усиления, результирующая степень нелинейности вычисляется перемножением степеней нелинейностей всех последовательных каскадов усиления.

Умозрительно хочется, чтобы порядок нелинейности был небольшой; отсюда и подспудное, по - детски непосредственное желание "упростить" и "укоротить" усилитель, собрав его на минимальном количестве усилительных приборов с "минимальной" нелинейностью, т.е. на лампах.
Реальность, конечно, намного сложнее детских желаний разрабочиков таких тру - устройств!
Физика работы ламп такова, что усиление тех же триодов очень небольшое, около 50 (100-1000 для обычного биполярного транзистора), что предполагает минимум два каскада усиления и не позволяет ввести глубокую обратную связь, даже местную!
Так что неглубокая ООС в ламповых усилителях это, как говорится, не фича, а бага.
Местная ОС, как известно, лианеризует усилительный каскад пропорционально своей величине. Поэтому для каскада на хорошем биполярном транзисторе с глубиной местной обратной связи около 10 можно получить параметры, сопоставимые с ламповым каскадом без ОС!
Два каскада усиления на ламповых триодах без ОС дадут порядок нелинейности около 2.2 плюс нелинейность выходного трансформатора. Столь высокая нелинейность будет порождать уже не столь "благоприятный" спектр искажений. Если задаться типичной величиной гармоник 2% и 1% для 2-й и 3-й гармоник, то и 2-я и 3-я от второй и третьей, то есть 4-я, 6-я и 9-я гармоники будут иметь амплитуду 0.04, 0.02 и 0.01 процента соответственно, что не очень приятно на слух.

             Гармонические искажения.

     Производители указывают только лишь общий Кг (корень из суммы квадратов отдельных гармоник), при этом ничего не говорится о спектральном составе этих искажений. То есть усилитель с общим Кг = 0.01 % субъективно может быть как весьма посредственным, если высокие гармоники недостаточно подавлены, но и мог бы быть весьма приличным (если основной вклад вносят низшие гармоники).
Расшифрую мог бы в последнем предложении.

Неверно рассуждать об искажениях, рассматривая только гармонические, безотносительно интермодуляционных.
     Дело в том, что те же нелинейности в усилительном тракте, которые порождают гармоники, с абсолютной неизбежностью порождают и интермодуляции. И это не предмет для обсуждения, это математически доказанный факт. На самом деле гармонические искажения это всего лишь частный случай интермодуляционных, когда одна из тестовых частот отсутствует.

      Интермодуляции высокочастотных составляющих попадают в том числе на средние частоты, в зону наибольшей чувствительности слуха, и не маскируются ВЧ составляющими!

     Порог слышимости на средних частотах составляет около 0 дБ, и важно, чтобы интермодуляции были ниже этого порога. Интермодуляции первого порядка могут быть равны гармоникам по амплитуде, отсюда требование:
     Уровень гармонических искажений на высоких частотах всего тракта (в особенности этого трудно добиться в УМ) не должен превышать порога слышимости на средних частотах.

     Таким образом, для звукового давления, например, 96 дБ уровень гармонических искажений на ВЧ не должен быть более -95 дБ (0.002%).

      Моделирование и измерения показывают, что усложнение тестового сигнала (вплоть до подачи шумового) не ведёт к появлению каких-либо новых, сравнительно со случаем 2-х частотного тестирования, составляющих. Только гармонические, разностные и суммарные частоты, плюс такие же комбинации от самих продуктов искажений.

     Таким образом, для исчерпывающего численного определения искажений необходимы  и достаточны несколько спектрограмм, полученных с использованием 2-х частотного сигнала:
-- Для низких частот (где могут быть тепловые искажения, искажения, порождённые разделительными конденсаторами низкого качества и искажения от серво-систем)
-- для средних частот (где предыдущий вид искажений отсутствует и будут наилучшие циферки)
-- для высоких частот (где меньше глубина ООС и происходит весьма существенное увеличение искажений).
      Весьма желательно (особенно для УМ) иметь спектрограммы для разных уровней сигнала.
Самое главное, такие спектрограммы позволяют судить о характере убывания гармоник. Доказано, что слух человека малочувствителен ко второй и третьей гармоникам,  но обладает потрясающей чувствительностью (до 0.001%!!!) к высоким гармоникам, начиная с пятой.

      Нужно отметить, что методика измерения IMD искажений на сегодняшний день недостаточно проработана, обработка результатов измерений IMD искажений на самом деле процесс гораздо более тонкий. Для построения адекватной картины (коррелирующей с субъективными ощущениями) приходится анализировать совершенно незначительные по амплитуде интермодуляции второго и выше порядков, которые не вносят формального веса в посчитанный "по формуле" коэффициент IMD. Это, однако, не означает, что параметр IMD "ни о чём", напротив, малость IMD предполагает и малость интермодуляций высоких порядков, а исследование IMD с точностью лучше -105 дБ может объяснить многие "необъяснимые" нюансы звучания усилителя.

      И вот когда мы всё хорошо и тщательно померяли, мы можем быть спокойны за технические характеристики и
перейти наконец к самому главному - к звучанию.

Бессмысленно отрицать, что многие аппараты с отменными циферками играют, тем не менее, весьма посредственно. Особенно это относится к современным ЦАПам.
     Этим фактом и объясняется существование мифа, что все наши измерения совсем не соотносятся с реальной действительностью. Согласно этому мифу, в звуковом сигнале присутствуют некие неизмеримые составляющие, этакое "живаго", которое нельзя даже зафиксировать, но которое, тем не менее, сильнее всех страдает при прохождении через каскады усиления (а потому их должно быть меньше, а поэтому - лампы). Логика безупречна - если не поймали, есть нечто неуловимое.

Неопределённость в том, было ли это Прекрасное Нечто изначально (а потом сожралось усилителем), либо изначально был Неискажённый Сигнал, на который нагадили усилители или ЦАПы (а наши приборы этой гадости не зафиксировали).

Согласитесь, разница для нас существенная, с одной стороны - сложная эзотерика, с другой - наука.
Возьму на себя смелость утверждать, что верен второй вариант, научный, и что на самом деле

Существуют типы искажений, с большим трудом поддающиеся регистрации.

Проявления этих искажений мы можем встретить на каждом шагу - от влияния межблочных кабелей до откровенного сёра конденсаторов низкого качества в ФНЧ ЦАПов. Интересно, что на циферках THD и IMD эти искажения заметны весьма и весьма слабо (!!!).
Природа этих искажений недостаточно ясна, в том смысле, что теоретически хорошо обоснованные гипотезы дают слишком малые уровни искажений.

Мой конструкторский опыт позволяет выделить несколько обособленных причин искажений.

1.     Нелинейность диэлектриков.
Сюда относятся и "плохие" конденсаторы, и "дешёвые" провода, и "чудеса" навесного монтажа.
Неполное понимание природы этой нелинейности не мешает нам делать изделия, от неё свободные.

2.     Недостаточно глубокая ООС

Известно, что активные элемента, провода, конденсаторы и прочие компоненты электрической схемы привносят в звук окраску, которую практически невозможно измерить. Так вот, экспериментально выяснено, что окраска, возникшая внутри усилителя, охваченного ООС, подавляется ООС наравне с прочими искажениями. Именно поэтому схемы со сверхглубокой (более 90 дБ) ООС звучат ясно и естественно. По мере увеличения глубины ООС окраска становится всё менее заметной, звук в целом становится всё более чётким и деликатным, а сцена - всё более глубокой и осязаемой. Сибилянты становятся "гладкими" и натуральными, а звуки, записанные вживую и не подвергшиеся обработке - начинают звучать пугающе натурально. На наших стендах удаётся отличить сверхглубокоосник с глубиной ООС 95 дБ от композитного усилителя с глубиной ООС 110дБ.

3.     Большое количество усилительных каскадов

Типичный ЦАП (по этой схеме построено более 99% серийных ЦАПов) насчитывает как минимум два каскада усиления - преобразователь напряжение / ток и сумматор. Далее по тракту часто можно встретить т.н. "предварительный усилитель" и только после него - усилитель мощности. Потребный усилителю мощности уровень - обычно от 1 до 2 В. Интересно, что на выходной уровень ЦАПа - те же 1 - 2 В, то есть никакого "предварительного усиления" не требуется. Более того, для разумной громкости требуется ослабление. С чем отлично справляется пассивный регулятор громкости, например, обычный потенциометер.
       
              Искажения ЦАПов

Искажения в ЦАПах носят совсем не такой примитивный характер, как в усилителях.

Сигма-дельта ЦАПы, например, представляют собой сложные многоконтурные вычислительные устройства, и их реакция на один и тот же входной сигнал сложной формы сильно отличается. Поэтому многие ЦАПы на классическом (периодическом) тестовом сигнале демонстрируют отменный THD, однако сильно отличаются друг от друга по звучанию. И только один из сигма - дельта ЦАПов близок по характеру к эталонному в этом смысле мультибитнику PCM1704 - это ES9018.

О технологии Upsampling

     Передискретизация, или интерполяция с целым коэффициентом, по-модному теперь называемая Upsampling, появилась почти 30 лет назад, сразу после того, как стало понятно, что выходной аналоговый фильтр ЦАПов получается очень сложным, а при использовании качественных компонентов ещё и очень дорогим.
     

И это, по сути, единственная причина, по которой уже в начале 80-х родились на свет цифровые фильтры, которые искусственно поднимали частоту дискретизации и заполняли образовавшиеся временные дыры значениями, непонятно по каким правилам посчитанными.
     

Интересно, что в отличие от непосредственно дискретизации (т.е. аналого – цифрового преобразования), процедура передискретизации не является финитной, т.е. для точного пересчёта необходимо было бы обработать огромный кусок аудиофайла. Конечно, никакая микросхема цифрового фильтра не в состоянии справиться с такой задачей, и использует упрощённые алгоритмы пересчёта.
    

На слух это «упрощение» воспринимается как некоторая потеря чёткости и подёрнутая «песочком» локализация. Данных становится в двенадцать раз больше, аж 352 кГц 24 бита , только вот исходный сигнал из них уже не складывается… Кроме того, как можно увидеть из картинки, при увеличении частоты дискретизации количество «скачков» на выходе ЦАПа увеличивается. Общая точность, напротив, ухудшается, поскольку каждый из них не только имеет небольшой «глитч», но и неидеально прямоугольную форму.
      

Неидеальность формы приводит к тому, что вместо вполне определённого значения мы на время переходного процесса имеем совершенно неверное, зависящее от скорости этого переходного процесса, значение.  Интересно, что накопленный за большое время, этот сигнал может показать очень неплохую точность.
     

Но наш с вами слух устроен иначе, чем измерительные приборы, и способен воспринимать очень быстрые изменения характера и формы звукового сигнала. По всей видимости, этим и объясняется способность слухового аппарата легко отличать звучание ЦАПов, обладающих схожими техническими характеристиками, но построенных на разных принципах (сигма-дельт от мультибитников или однобитных ЦАПов). Этим же свойством объясняется необыкновенная селективность слуха и к «знакомым» звукам на фоне очень больших помех, и к небольшим помехам на фоне знакомых звуков.

Upsampling – это очередной технический компромисс, заставляющий микросхему ЦАПа работать на повышенной частоте в ущерб её точности, да и просто здравому смыслу; в обмен на упрощение конструкции ЦАПА в целом.

В своих ЦАПах я отказался от использования как цифровых фильтров, так и ASRC (асинхронный ресэмплер).

Немного о сигма-дельта ЦАПах.

Сигма-дельта ЦАПы (например, PCM1794) состоят из 2-х цифровых фильтров и непосредственно ЦАПа. Первым цифровым фильтром служит интерполятор, умножающий входную частоту дискретизации (тот самый Upsampler). На вход второго цифрового фильтра поступают данные с частотой 384 кГц. Во втором цифровом фильтре (в сигма – дельта модуляторе) происходит повторное повышение частоты дискретизации до 11 – 17 МГц с одновременным понижением разрядности.  Выходной ЦАП (как и сигма – дельта модулятор) постоянно работает на одной и той же частоте и имеет разрядность всего 6-7 бит.

Сигма-дельта ЦАПы при всей своей простоте и отличных параметрах обладают недостатками сразу двух устройств – цифрового фильтра и сигма-дельта модулятора. Про первый написано выше, про второй можно сказать, что сколько реализаций - столько типов звучания.