Опубликовано в журнале "Мастер 12вольт" №46 (декабрь 2002/январь 2003)

© А.И.Шихатов 2002

НЕДОПЕТАЯ ПЕСНЯ…

БЫЛОЕ И ДУМЫ
    "Устарелость редко имеет что-нибудь общее с удовлетворением потребителя или с тем, что потребитель считает качеством. Обычно это деловое решение, основанное на холодных расчетах."
    Джо Робертс, редактор SOUND PRACTICES.

    Первые автомобильные приемники и усилители были, естественно, ламповыми - других усилительных приборов тогда не существовало. И автомобиль стал двигателем прогресса. Именно автомобильная аппаратура породила в начале 30-х годов 20 века технические решения, на многие годы определившие развитие электроники. Виброустойчивые лампы с металлическим баллоном прекрасно чувствовали себя не только в автомобиле, но и в военной, а потом и бытовой аппаратуре. Даже напряжение накала большинства радиоламп (не только автомобильных) было принято равным напряжению бортовой сети (6,3 В) и осталось таким и после того, как о ламповых автомобильных приемниках забыли. Правда, и напряжение бортовой сети к этому моменту возросло до 12 вольт.
    В начале 50-х годов транзисторы вышли из тиши лабораторий, и перешли в наступление по всем направлениям. Без боя сдались переносные приемники на микроминиатюрных лампах: с анодной батареей размером с пакет кефира особо не погуляешь. А еще в придачу накальная сходного калибра…
    В автомобильной аппаратуре проблема питания и габаритов была не столь остра, поэтому транзисторы поначалу "прописались" в блоке питания взамен недолговечного вибропреобразователя. Но эпоха лампы заканчивалась, и в начале 60-х годов выпуск ламповых автомобильных приемников был прекращен во всем мире.
    Дольше всех сопротивлялась стационарная радиоаппаратура. Так, выпуск ламповых приемников и радиол в СССР прекратился только к середине 70-х, а лампово-полупроводниковые телевизоры продержались еще лет десять.
    В течение одного десятилетия транзисторы воцарились во всех областях электроники, где была важна экономичность или миниатюрность. Лампы остались только в профессиональной звукоусиливающей аппаратуре большой мощности, да у военных - благодаря стойкости к радиации. Всем прочим было объявлено, что лампы - пережиток прошлого.
    Транзисторные усилители были с энтузиазмом встречены многими аудиофилами, но радость была недолгой. Довольно скоро обнаружилось, что их звучание жесткое и ненатуральное, в обиход вошел даже термин "транзисторный звук". Болезнь со временем побороли, схемы усложнили, а ламповые усилители все равно звучат лучше.
КТО ВИНОВАТ?
    "…следует упрощать конструкцию усилителя до мыслимого предела и тщательно отбирать детали и элементы высочайшего качества, чтобы воспроизвести "качество живого звука", свободного от "механистичности". Это наиболее важные соображения при создании идеального усилителя".
    Хирояси Кондо, творец усилителя Ongaku

    Традиционные ламповые усилители, несмотря на все различия в схемах и конструкции, являются усилителями напряжения. На выходе усилителя обязательно присутствует трансформатор, согласующий высокое выходное сопротивление лампы (несколько килооом) с сопротивлением нагрузки (единицы Ом). Выходное сопротивление усилителя и сопротивление нагрузки - величины одного порядка, поэтому коэффициент демпфирования небольшой (от 1 у пентодных усилителей до 4-5 у триодных). Благодаря высокому выходному сопротивлению воспроизведение "середины" необычайно детальное, но одновременно с этим звучание низких частот сильно зависит от добротности и акустического оформления АС. Собственные искажения усилителя достаточно велики по современным меркам (до нескольких процентов), но не создают неприятных ощущений, поскольку отсутствуют гармоники высоких порядков. Отрицательная обратная связь, ухудшающая детальность воспроизведения, неглубокая или отсутствует вовсе. Различия в схемотехнике и типах деталей приводят к тому, что звучание каждого усилителя приобретает ярко выраженные "фамильные" признаки. Впрочем, обсуждение этого вопроса уведет нас слишком далеко от основной темы.
    Первые усилители на биполярных транзисторах выполнялись по ламповой схемотехнике с выходным трансформатором и звучали относительно хорошо. Но появление комплементарных транзисторов (другого типа проводимости) привело к созданию бестрансформаторных транзисторных усилителей, не имеющих ламповых аналогов. Изменился и подход к конструированию. Новая схемотехника была заметно сложнее традиционной: где раньше справлялись две-три лампы, теперь требовался чуть ли не десяток транзисторов. Впрочем, переход на интегральные технологии быстро упростил конструкцию.

    Современные транзисторные усилители, за небольшим исключением, выполнены по структурной схеме "усилитель напряжения + усилитель тока" (рис.1). Усилительный каскад (драйвер) обеспечивает необходимое усиление по напряжению (несколько десятков раз), а выходной каскад, выполненный по схеме усилителя тока, согласовывает низкое сопротивление нагрузки с высоким выходным сопротивлением драйвера. Коэффициент усиления по току может достигать нескольких миллионов.
    Усилитель напряжения имеет два или три каскада, первый из которых - дифференциальный, необходимый для подачи сигнала общей отрицательной обратной связи (ООС), без которой работа транзисторного усилителя практически невозможна. Усилитель тока также содержит два или три каскада на биполярных транзисторах, или один каскад на полевых. Такое упрощение возможно потому, что входное сопротивление полевого транзистора очень велико и необходимое усиление по току можно получить в одном каскаде. Кроме того, полевые транзисторы имеют более стабильные параметры при больших токах в широком диапазоне частот. К тому же уровень гармонических искажений у полевых транзисторов гораздо ниже, чем у биполярных, а по звучанию они напоминают электровакуумные лампы. Поэтому большинство фирм-производителей использует в оконечных каскадах современных усилителей полевые транзисторы. Их можно опознать по аббревиатуре MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) или, в сокращенном варианте - MOS.
    Почему же транзисторный усилитель не может работать без общей ООС? Причина проста - многокаскадная схема без обратной связи нестабильна, а искажения велики. Искажения вносит каждый каскад транзисторного усилителя, но механизм их возникновения разный.
    Большинство выходных каскадов работает в классе АВ и рабочая точка занимает некоторое промежуточное положение между соответствующими положениями рабочих точек для классов А и В. Выбор ее положения - компромисс между экономичностью и уровнем искажений, вносимых выходным каскадом. Особенно сложно бороться с "переключательными" искажениями, свойственными режиму B и близким к нему, но в грамотно спроектированном выходном каскаде с большим током покоя (0,5-1 А) собственные искажения невелики.
    Другой источник искажений - дифференциальный входной каскад, подверженный перегрузкам по входу. Максимальный уровень входного сигнала для каскада на биполярных транзисторах составляет 50-300 мВ (в зависимости от исполнения), для каскада на полевых транзисторах - до 1-2 В. Для борьбы с этими искажениями необходимо высокое быстродействие последующих каскадов и глубокая ООС. Получить все необходимое усиление по напряжению в одном каскаде также проблематично, поэтому необходим еще один или два промежуточных каскада усиления напряжения, работающих в режиме А.
    Вот вкратце основные проблемы, возникающие перед разработчиком транзисторного усилителя. И если проблемы выходного каскада в основном удается решить, то драйвер до сих пор остается узким местом, в значительной степени определяющим характер звучания усилителя. Добиться натурального звучания транзисторного усилителя невероятно сложно, массовый же возврат к ламповым усилителям исключен по причинам экономическим - уж больно дороги и нетехнологичны высококачественные выходные трансформаторы.

    Так на сцене появились гибридные усилители, единственный драйверный каскад которых выполнен на электронной лампе (рис.2). Это позволяет убить сразу нескольких зайцев: у лампового каскада высокая перегрузочная способность, большой коэффициент усиления и можно обойтись без общей ООС. Гибридные усилители унаследовали лучшие черты транзисторных и ламповых усилителей, и обошлись без их основных недостатков. Звучание, необыкновенно теплое и естественное, сочетается с великолепной точностью передачи деталей звучания. Особенно хорошо воспроизводится атака сигнала - например, щипок струны при акустической записи или легкое касание края тарелки ударником.

    Приведенная на рисунке 2 схема отражает только принцип действия - на ней не хватает многих цепей, да и в реализации возможны различные варианты. Связь выходного каскада с драйвером может быть и непосредственной, при этом усложняются цепи питания. Выходной каскад, например, можно выполнить и на биполярных транзисторах, а входной каскад выполнить дифференциальным на двойном триоде. Впрочем, двойному триоду можно найти и другое применение.

    На рисунке 3 приведена схема усилителя, первый каскад которого выполнен по схеме SRPP с последовательным включением двух триодов. Эта схема обеспечивает большое усиление при малых искажениях в широкой полосе частот. Режим работы выходного каскада задается источником напряжения смещения Uсм (показан упрощенно). Нулевое постоянное напряжение на выходе поддерживается интегратором на операционном усилителе, общая ООС при этом не обязательна.

ЧТО ДЕЛАТЬ?
    "Свобода выбора для массового потребителя сводится к свободе выбирать из того, что пытаются всучить вам в каждый конкретный отрезок времени. Вы можете заказывать обед из того, что есть в меню, если, конечно, не хотите готовить сами."
    Джо Робертс, редактор SOUND PRACTICES.

    Ламповый ренессанс, захлестнувший "домашних" аудиофилов, распространился и на их "колесных" собратьев, хотя "классовые битвы" и не приняли такого размаха - принцип "мы за ценой не постоим" в car audio распространен не столь широко. С одной стороны - технологичные и экономичные транзисторные усилители, с другой - предельно простые по конструкции, но невероятно трудоемкие в изготовлении ламповые усилители.
    Простой пример - уникальный ламповый усилитель Audio Note Ongaku за $39,9 тыс. Трансформаторы с серебряными обмотками, огромные выходные лампы, мощность несколько ватт. Скромно и со вкусом, только и автомобиль должен соответствовать.
    Поиски других "чисто ламповых" усилителей, предназначенных для автомобиля, особым успехом не увенчались. Единственной серийный аппарат - BaM-235, выпускаемый Milbert Amplifiers, Inc. Между прочим, фирма выпускает ламповое оборудования для автомобилей аж с 1986 года! И все, если не считать нескольких любительских разработок со всего света...

Ламповый усилитель Milbert	модель BaM-235
Выходная мощность	30 Вт
Сопротивление нагрузки	16, 8, 4, 2, 1, 0,5 Ом
Диапазон частот при неравномерности -3 дБ	20 Гц-60кГц
Диапазон частот при неравномерности -0,1 дБ	50 Гц-55 кГц
Отношение сигнал/шум	-90dB
Ток покоя	5 А
Максимальный потребляемый ток	20 А
Размеры (ДхВхШ)	460 х 115 х 172
Масса	6 кГ

    Выбор гибридных усилителей оказался побогаче, хотя и ненамного. Американская фирма Butler Audio Inc с ноября 1997 г. наладила выпуск усилителей Tube Drive 750 (2x75 Ватт) и Tube Drive 1500 (2x150 Ватт). Собственно, технология Tube Driver - детище Батлера, богатый ламповый опыт которого позволил выпустить первый мощный гибридный усилитель для автомобиля.


    В этих же усилителях была применена и фирменная технология VTE (Variable Tube Enhacement). Она позволяет подстроить характеристики лампы под персональные вкусы и особенности звучания динамиков. Можно добиться детального воспроизведения СЧ-ВЧ или убедительного баса. Поскольку в усилителях нет общей ООС, остается предположить, что изменяется режим работы драйверной лампы. В драйвере использованы 6L6GC, связь с выходным каскадом на 12 параллельно включенных МОП-транзисторах непосредственная. Нити накала питаются постоянным током. Сейчас на смену этим усилителям пришел Tube Driver BLUE 2150, в драйвере которого использованы двойные триоды 6SL7GT. В остальном концепция та же, все детали проходят ручной отбор.

Гибридные усилители Butler Audio	Tube Driver 1500	Tube Driver 750	Tube Driver BLUE 2150
Выходная мощность на нагрузке 4 Ом, питание 12 В	150 Вт х 2	75 Вт х 2	Нет данных
Выходная мощность на нагрузке 4 Ом, питание 14,4 В	225 Вт х 2	90 Вт х 2	150 Вт х 2
Мощность в мостовом включении на нагрузке 4 Ом	Нет данных	Нет данных	500 Вт
Нелинейные искажения при номинальной мощности	<0.1%	<0.1%	<0.15%
Отношение сигнал/шум	100 dB	100 dB	100 dB
Диапазон частот	20 Гц - 40 кГц (-1 дБ)	20 Гц - 40 кГц (-1 дБ)	5 Гц - 100 кГц (+/-1 дБ)
Размеры (ДхВхШ)	380 x 82 x 267	380 x 82 x 267	340 x 65 x 230
Масса	4,3 кГ	4 кГ	Нет данных

    Усилитель Power Amper X-200 выполнен по сходной схеме и оптимизирован для работы с широкополосными стереоканалами (т.е. с пассивными кроссоверами). Благодаря непосредственной связи между каскадами у него рекордное быстродействие - 150 В/мкс. Выходная мощность каждого канала - 100 Вт.
    В этом ряду особняком стоит линейка усилителей Planet Audio. Выходной каскад этой серии выполнен на биполярных транзисторах, а усилитель охвачен глубокой общей ООС. Отсюда рекордно низкий коэффициент гармоник и широкая полоса пропускания, но детальность уже не та.

Гибридные усилители Planet Audio	Planet Audio 260 Двухканальный, ручная сборка, ограниченная серия	Planet Audio 400 Четырехканальный	Planet Audio 440 Двухканальный	Planet Audio 600 Двухканальный, ручная сборка
Выходная мощность на нагрузке 4 Ом	50 Вт x 2	70 Вт x 4	100 Вт X 2	150 Вт X 2
Выходная мощность на нагрузке 2 Ом	80 Вт x 2	100 Вт x	150 Вт X 2	Нет данных
Максимальная выходная мощность на нагрузке 1 Ом	130 Вт x 2	200 Вт x 2	220 Вт X 2	300 Вт X 2
Мощность в мостовом включении на нагрузке 4 Ом	160 Вт x 2	Нет данных	Нет данных	300 Вт X 1
Мощность в мостовом включении на нагрузке 2 Ом	260 Вт x 1	Нет данных	440 Вт X 1	Нет данных
Нелинейные искажения при номинальной мощности	0.01%	0.01%	0.01%	0.01%
Отношение сигнал/шум	103 dB	103 dB	103 dB	103 dB
Диапазон частот	9 Гц - 50 кГц	9 Гц - 50 кГц	10 Гц - 100 кГц	10 Гц - 100 кГц
Размеры (ДхВхШ)	360 x 65 x 230	360 x 65 x 230	340 x 65 x 230	400 x 65 x 230
Встроенный LP кроссовер с плавной перестройкой частоты	есть	есть	есть	есть
Встроенный HP кроссовер с плавной перестройкой частоты	есть	есть	есть	есть
Линейный выход кроссовера	есть	есть	есть	есть
Плавно перестраиваемый Bass Boost	есть	есть	есть	нет-

---