Развитие усилителей класса D за последнюю четверть века выглядит совсем по-разному, если смотреть на него глазами потребителя звукотехники и глазами разработчика усилителей.

Прошлое, настоящее и будущее усилителей в классе D

Когда в конце 90-х и начале 2000-х гонка класса D развернулась серьезно, а на стартовой линии собралось изумительное множество аппаратов. Некоторые были полумостовыми, некоторые полномостовыми, управляемыми в тандеме или по отдельности. Некоторые генерировали ШИМ прямо из цифрового входного сигнала, другие имели аналоговые входы.

У некоторых не было контроля ошибок, некоторые брали обратную связь на этапе переключения, а некоторые подмешивали некоторую обратную связь с клеммы акустики.

Но многие оправдывали свой выбор конструкции цитатами из различных частей аудиомифологии. Вероятно, в самом экстремальном случае было 16 мощных полевых транзисторов и 7 индукторов на канал с причудливой логикой счетчика для демультиплексирования потока DSD по всем этим выходным переключателям, что сразу давало призы для маркетологов:

•  «прямой DSD»,
• «мощный ЦАП»,
• «нулевая обратная связь».

Это было время пробовать что-то новое. Это конечно дико. Большинство этих идей были не стартовыми, их рекламируемые преимущества были сведены на нет якобы второстепенными проблемами, которые на самом деле были фундаментальными. Только несколько из них вырвались вперед и оказались действительно полезными и поддающимися доработке.

НАЧАЛО усилителей в классе D

Ранние дни усилителя в классе D впервые были описаны в патенте Берниса Бедфорда (US1874159), в 1930 году. В нем показана пара триодов, действующих как силовые переключатели и компараторы, управляемые суммой треугольной волны и аудиосигнала. Пара триодов, действующих как силовые ключи и компараторы, управляемые суммой треугольной волны и аудиосигнала, диаграмма цифр Налицо все признаки того, что именно он это построил: он прорисовывает такие детали, как выбросы в сигнале ШИМ и остаточные явления переключения в отфильтрованной форме сигнала, то есть вещи, о которых изобретатель-неформалист даже не подумал бы. Усилители класса D, специально предназначенные для управления громкоговорителями, начали появляться в конце 60-х годов.

Известными именами того периода являются Брайан Эттвуд и Джон Ульрих, чьи работы, среди прочего, появляются под брендами Peavey и Spectron соответственно.

Фальстарт

Топология, впервые разработанная Бедфордом, закрепила те части, которые вы найдете в структурной схеме, с которой начинаются все научно-популярные статьи об усилителях класса D:

Структурная схема топологии канонического усилителя класса D Аудиосигнал (тонкая синяя линия) сравнивается с высокочастотной треугольной волной (серой). Компаратор выдает прямоугольную волну (красную), «высокое» и «низкое» время которой определяется соотношением между аудионапряжением и пиковым/пиковым напряжением треугольной волны. Силовой каскад воспроизводит тот же самый сигнал, при этом «высокое» напряжение питания является положительным, а «низкое» — отрицательным (фиолетовым).

Прохождение этого сигнала через LC-фильтр оставляет только среднее значение (толстая синяя линия), которое является аудиосигналом. Когда входной сигнал достигает вершин треугольной волны, компаратор выдает устойчиво высокий сигнал, а выходное напряжение усилителя равно положительному напряжению питания. С соответствующими изменениями для отрицательного максимума.

Таким образом, усиление вычисляется как напряжение питания, деленное на амплитуду пик/пик треугольной волны. Это канонический усилитель класса D, топология из учебника. Это было досадно. Будучи невероятно простым для понимания, он заставил поколения разработчиков поверить, что это был фундаментальный усилитель класса D и лучшая отправная точка для будущих разработок. Ни то, ни другое не было правдой. Он предполагал, что модулятор, каскад мощности и выходной фильтр были независимыми элементами, которые должны были быть спроектированы и оптимизированы отдельно.

Обозначение «усилитель в классе D» тоже не помогло

Ранее известными классами усилителей были A, B, 1 и C, поэтому D был следующим в алфавите. К сожалению, эта буква в сочетании с двоичной природой выходного каскада убедила даже умных людей, что она означает «цифровой». Можно было бы подумать, что устройство, которое подает изменяющееся во времени напряжение и ток в нагрузку громкоговорителя, однозначно аналоговое, но энтузиазм часто препятствует ясной мысли. До сих пор в немецком техническом лексиконе нет слова для «класса D». Они называют его Digitalverstärker , как и японцы ( dijitaru ampu ).

Итак, в случае модулятора, казалось логичным построить схему цифрового счетчика, чтобы превратить PCM непосредственно в PWM и использовать ее для сборки «мощного ЦАП». Идея, безусловно, имеет высокую привлекательность в PowerPoint: даже менеджеры по продуктам могли увидеть, как это должно работать. Преобразование PCM в PWM сложнее, чем кажется, поскольку оно подразумевает преобразование аудио, которое дискретизируется с идеально регулярными интервалами, в PWM, фактическое время дискретизации которого — это сами фронты переключения, зависящие от сигнала.

Это сделало его восхитительной академической задачей, и в течение более десяти лет на съездах AES публиковались статьи за статьями, описывающими все более сложные алгоритмы с постепенно улучшающейся линейностью. Через некоторое время даже самый великодушный наблюдатель не мог не заподозрить, что различные авторы изо всех сил старались отложить на потом настоящие проблемы, которыми являются силовой каскад и выходной фильтр 2 . Искажение времени В то время как силовые транзисторы быстро включаются и выключаются, нет способа делать это бесконечно быстро. Один постепенно выключается, а другой постепенно включается, и в этом интервале выходное сопротивление высокое. Истинный момент, когда выход переключается, становится зависимым от тока динамика. Изменение нарастающего фронта с пиковой выходной синусоидой 18 А, график, измеренный по vsw (В) и времени (нс) Положительный ток приводит к замедлению нарастающего фронта и ускорению падающего фронта.

 Для отрицательных токов — наоборот

Вы можете подумать, что полоса ошибки в 40 нс, которую мы видим на картинке осциллографа, не так уж и много. Я согласен, что этот конкретный каскад питания не слабак, но вы должны видеть это относительно длины одного полного цикла ШИМ. Если ваш усилитель работает на частоте 500 кГц, 40 нс представляют собой более процента, который, если его не обрабатывать, напрямую переводится в схожую цифру искажения. Ошибка синхронизации — самый простой для понимания источник искажений в классе D, поэтому новички, в частности, делают ее объектом своего внимания.

Вспомним, что при независимо сгенерированном сигнале ШИМ выходное напряжение прямо пропорционально напряжению питания. Напряжение питания влияет на выход не только в момент клипа, но и все время. Любая пульсация в источнике питания приводит к амплитудной модуляции аудиосигнала. Таким образом, для усилителя, использующего чисто цифровую ШИМ (или аналоговую ШИМ «из учебника», если на то пошло), единственной мерой противодействия является жесткая регулировка напряжения питания. Частотная характеристика Вы хотели бы думать о фильтре, как о имеющем, например, характеристику Баттерворта или что-то в этом роде. Но в пассивном фильтре отклик полностью зависит от нагрузки. В качестве примера, вот набор кривых для того же фильтра с нагрузками 4 Ом (красный), 2 Ом (зеленый) и 8 Ом (пурпурный), а синяя кривая — это смоделированная нагрузка громкоговорителя.

Диаграмма графика пассивного фильтра для LCSPEAKER.CIR Температура = 27 Вы поймете, что такого рода ошибки не являются чем-то, что рекомендует усилитель для Hi-Fi. Вы можете уменьшить проблему в десять раз, увеличив угловую частоту в десять раз, но вам придется увеличить частоту переключения также в десять раз. А это увеличивает искажения, согласно вышесказанному.

НО нет удовлетворительного способа сделать частотную характеристику независимой от нагрузки, просто играя с параметрами конструкции усилителя из учебника. Гистерезис Практические выходные индукторы используют магнитные сердечники для снижения сопротивления и предотвращения появления блуждающих магнитных полей. Все магнитные материалы имеют так называемый гистерезис, который, в свою очередь, вызывает искажения. Гистерезис настолько коварен, что при синусоидальном входе он почти невидим.

Однако сложите две синусоиды вместе, и они будут взаимодействовать самым запутанным образом. Комментаторы регулярно и уверенно путают гистерезис с насыщением. Важное различие между ними заключается в том, что насыщение проявляется только при больших сигналах. Гистерезисное искажение, напротив, почти постоянно в процентном отношении относительно уровня сигнала. Если его не лечить, оно постоянно зависает на грани слышимости, тонкой песчаной дымкой над звуковой сценой. Когда вы слышите, как люди жалуются на звук старых усилителей класса D, это, как правило, причина.

К счастью, есть одно средство, которое фантастически эффективно для устранения искажений гистерезиса, стабилизации выходного импеданса, устранения искажений времени переключения и устранения зависимости от напряжения питания, и все это одновременно. Мы немного рассмотрим эту захватывающую технологию. В дикой природе Прямые цифровые коммутаторы имеют свое применение. Многим продуктам требуется лишь скромная производительность, например, бумбоксам, саундбарам и т. п. Преобразование PCM в PWM и прямое усиление его парой FET — это, безусловно, самый дешевый способ управления динамиком, если только вы не ожидаете Hi-Fi.

Оглядываясь назад на 90-е, когда серьезные исследователи аудио все еще вкладывали свою энергию в цифровые ШИМ-модуляторы, ожидая аудионирваны, материализовался только один проект высокого класса. Он назывался TacT (позднее Lyngdorf) Millennium. Силовой каскад был быстрым, очень, очень быстрым. Это было сделано путем усиления драйверов затвора для подачи до 12 ампер. Блок питания был очень жестко отрегулирован и использовал эффект амплитудной модуляции, используя напряжение питания в качестве регулятора громкости. Выходной индуктор был без сердечника, поскольку это был единственный способ избавиться от искажений гистерезиса. Проблема частотной характеристики вообще не была решена, и некоторые пользователи отмечали, что совместимость с различными динамиками может быть непредсказуемой.

Это во многом «мощный ЦАП» (самый первый), но я должен быть осторожен, характеризуя его как «цифровой усилитель», потому что все эти усилия с блоком питания, драйверами затвора и выходным фильтром, от первого до последнего, являются аналоговой инженерией, сделанной для обхода очень аналоговых источников искажений.

Это по-прежнему самый высокопроизводительный усилитель с разомкнутой петлей (т. е. с нулевой обратной связью) из когда-либо созданных. В последнее время появление полевых транзисторов на основе нитрида галлия вдохновило начинающих конструкторов пересмотреть историю и изобрести этот тип усилителя заново, но мне пока не доводилось видеть ничего, что хоть немного приближалось бы к этому. Сказав все это, производительность Millennium впечатляет только с учетом того, что он был с открытым контуром. В противном случае 0,03% THD едва ли является передовым достижением. Насколько бы это ни было проявлением силы, я могу описать его только как ужасную идею, блестяще реализованную.

F-бомба

Когда вы идете на Hi-Fi-шоу, вы не можете бросить кирпич, не задев кого-то, кто считает, что винил превосходит цифру. Причина проста. Было время в начале 80-х, когда проигрыватель компакт-дисков начала 80-х, проигрывающий компакт-диск начала 80-х, был немного разочаровывающим по сравнению с соответствующим винилом. Для некоторых этот опыт, должно быть, был определенно травмирующим, потому что 40 лет спустя они все еще верят, что это правда. С помощью того же приема вы можете быстро найти кого-то, кто готов дать общее заявление о том, что «отрицательная обратная связь вредна для звука». В основе этого лежит похожая история. До появления твердотельных устройств никто и глазом не моргнул на усилители с обратной связью.

Однако у ранних транзисторных усилителей была своего рода ахиллесова пята — искажения на дифференциальном входном каскаде. По иронии судьбы, статья, популяризировавшая концепцию искажений «TIM» (переходная интермодуляция), правильно определила первопричину.

Вместо этого в искажениях обвинили использование отрицательной обратной связи. Ирония в следующем: во-первых, диф. усилитель на самом деле не находится внутри контура обратной связи. Линеаризировать входной каскад и устранить TIM, не меняя величину обратной связи, тривиально просто. Во-вторых, если вы увеличите усиление усилителя до обратной связи, сигнал на диф. усилителе станет соответственно меньше, тем самым предотвращая возникновение искажений в первую очередь. Вы правильно прочитали: больше усиления контура (т. е. больше обратной связи), меньше TIM.

Но поскольку понимание этого требует толики любопытства, всегда найдутся те, кто не признает очевидный факт, даже если он будет танцевать конгу перед ними голышом. Я, например, всегда держу под рукой запас кирпичей на выставках Hi-Fi.

 Крепкий орешек

В наши дни опытные разработчики класса D не беспокоятся о таких угрызениях совести. Это работает, это заставляет усилители звучать фантастически. Если знание того, что усилитель использует обратную связь, вызывает истерики в некоторых кругах, то это не то, для чего у нас есть техническое решение. Но это сейчас.

Вопрос был не столько в том, является ли обратная связь хорошей идеей или нет, сколько в том, можно ли вообще заставить ее работать. Хотя это и не совсем закон природы, но в целом верно, что когда вы берете усилитель, который работает более-менее приемлемо без обратной связи, добавление обратной связи после этого не является простым. Нет конца историям о людях, пытающихся сравнить звучание усилителя «с обратной связью или без нее» и разочарованных. Это если эксперимент не будет сразу же остановлен проблемами со стабильностью. И наоборот, усилитель, разработанный с учетом обратной связи, просто перестанет работать, когда вы разомкнете контур. Это опровергает миф о том, что добавление обратной связи — это отговорка, легкое решение. Правда в том, что если вы не настроите его как усилитель обратной связи с самого начала, вы, скорее всего, останетесь с неуклюжим зверем, которым очень трудно управлять.

К счастью, усилитель класса D из учебника — как раз такой случай

Первая проблема заключалась в том, что сигнал обратной связи не был чистым звуком, а обязательно содержал остаток от процесса ШИМ. Добавление этого обратно в модулятор вызывало больше искажений, чем устраняло. Потребовались годы, прежде чем появились практические решения. Вторая проблема хуже: поскольку выходной фильтр является наиболее трудноразрешимой частью, мы хотели бы включить его в контур обратной связи.

К сожалению, тот же самый переменный сдвиг фазы теперь может свободно наносить ущерб стабильности контура. Оказывается, если у вас есть модулятор с «тактовым генератором» (то, что мы называем треугольной волной, которая задает частоту переключения), вы не можете сделать контур с большим усилением, который был бы стабилен во всем диапазоне сопротивлений нагрузки. Вам понадобится контроллер, который может автоматически настраивать свой фильтр контура при подключении другой нагрузки.

Новое начало

Я уже намекал, что тактируемый (учебный) усилитель класса D — это даже не самая простая топология. Вот эта: Простая топологическая схема тактового усилителя класса D (учебник) Генератора нет. Совместный эффект сети обратной связи, выходного фильтра и задержки через компаратор и силовой каскад заставляет схему самовозбуждаться на удобной частоте. Отдельного модулятора тоже нет. Добавление сигнала на вход просто сдвигает частоту и рабочий цикл в другую стабильную точку. Коэффициент усиления не зависит от напряжения питания, поскольку сама амплитуда колебания задается напряжением питания, таким образом, исключая напряжение питания из уравнения.

Обратная связь глобальна и имеет существенное усиление контура, легко 30 дБ или более, поэтому эта схема искажает в 30 раз меньше, чем школьный усилитель с тем же силовым каскадом. Выходное сопротивление очень низкое, а частотная характеристика не зависит от нагрузки до такой степени, что угловая частота полностью стирается из графика отклика. Еще более раздражающе то, что именно выходной фильтр сам обеспечивает это усиление контура, а не цепь обратной связи. Этот график взят из базового прототипа 2001 года, показанного здесь с нагрузками 2 Ом (красный), 4 Ом (зеленый) и разомкнутой цепью (синий). Даже в случае разомкнутой цепи нет никаких следов физического резонанса LC-фильтра (35 кГц).

Графическая схема базового прототипа 2001 года с нанесенными на график нагрузками 2 Ом (красный), 4 Ом (зеленый) и линиями разомкнутой цепи (синий) усилителя класса D, измеренными в дБ и Гц. Я выбрал этот график, потому что на более поздних образцах вообще невозможно различить три кривые. Мне часто приписывают это изобретение, которое я назвал «Универсальный класс D» (UcD), и на самом деле мне был выдан патент на него (US7113038B2).

Его явная простота чертовски раздражала всех остальных, кто до этого использовал гораздо более сложные конструкции, которые работали не так хорошо. Поэтому, чтобы помочь освободить интеллектуальную собственность, доблестный конкурент щедро потратил время на Google Patents и раздобыл просроченный патент от 1977 года некоего Клейтона Стерджена (US4041411), в котором описывается похожее устройство! Подумайте: в идеальном мире Стерджен был бы знаменит как изобретатель этой фундаментальной схемы. Вместо этого о ней полностью забыли. Какая упущенная возможность для звукоиндустрии. Изобретение Стерджен должно было стереть хитроумное изобретение Руба Голдберга, которым является школьный усилитель, из наших коллективных воспоминаний прямо сейчас.

Сдвиг в технологии усилителей, который происходит сегодня, мог бы быть завершен и завершен к 2000 году. По общему признанию, я сделал прекрасную карьеру, совершенствуя класс D, но на самом деле, я уверен, что нашел бы себе другое занятие. Другие автоколебательные усилители также были в деле, но они активно избегали вовлечения выходного фильтра в колебания, вместо этого используя предфильтровую обратную связь для установки частоты и сводя постфильтровую обратную связь (если таковая была) к минимуму. Гениальный ход Стерджена состоял в том, чтобы добавить фазовое опережение к сети обратной связи, так что даже при наличии всего LC-фильтра второго порядка в контуре вы могли свободно устанавливать частоту колебаний и полностью управлять выходным фильтром поверх этого. Даже в этой зачаточной форме схема работает достаточно хорошо для большинства применений, за исключением серьезной высококачественной аудиотехники.

 

Конвергенция

Самовозбуждающиеся усилители обладают почти магическим свойством, благодаря которому они достигают гораздо более высокого коэффициента усиления контура, чем тактовый усилитель с фильтром контура того же порядка. Это остается верным, если вы используете полную глобальную обратную связь. Фактически, он автоматически находит новый стабильный оптимум при изменении нагрузки, без дальнейшего вмешательства. Долгое время это было не более чем практическим наблюдением, но с 7 года оно получило прочную математическую основу . Я избавлю вас от подробностей, но это означает следующее: теперь это доказанный факт, а не мнение, что автоколебательные усилители по своей природе более стабильны и по своей природе допускают большее усиление контура, чем тактовые усилители. Не то чтобы кто-то ждал, пока присяжные соберутся. Нахождение математического доказательства просто оправдало дизайнеров, которые уже разбили там свои коллективные палатки.

В конце концов, это было достаточно ясно на лабораторном столе. Карстен Нильсен, бывший генеральный директор ICEpower, любил объяснять, как его аспирант Нильс Андерскоув однажды забыл включить треугольную волну на усилителе, над которым он работал. Как по волшебству, качество улучшилось. Это дало толчок первой линейке усилительных модулей компании под названием COM (Controlled Oscillation Modulation). Их текущее предложение основано на глобальном цикле и, с характерной поэзией, называется GCOM. Мы в долгу перед предприимчивым сыщиком, который решил подорвать новизну патента UcD и решил опубликовать свою находку. Поскольку схема, как всем известно, является общественным достоянием, никому не нужно было придумывать оправдания для использования неуклюжих альтернатив.

То, что глобальный контур автоколебательного усилителя является простейшей, самой фундаментальной схемой класса D, стало неоспоримым фактом жизни, с которым все согласны. Революция, которая была эволюцией  и то, что должно было стать революцией усилителей, происходящей прямо сейчас. Но революция закончилась, когда весь конкурирующий пелотон остановился на автоколебательных усилителях с глобальной обратной связью. А дальше было просто объединение и уточнение. То, что многим аудиофилам это кажется иным, объясняется тем, что на практике эти «уточнения» ломали один барьер производительности за другим. Каждое поколение давало в 10 раз меньше искажений, чем предыдущее.

Итерации назывались UcD (2000), Ncore (2008) и Eigentakt (2016).  А следующее по-прежнему называется Eigentakt. В терминах схемы эти инновации приняли форму (различных, патентуемых) способов добавления дополнительного усиления в контур обратной связи без влияния на поведение усилителей при больших сигналах. В терминах конструкции они были достижениями в математике, лежащей в основе автоколебаний, которая стала полной только в последние годы и которая позволяет компьютерную оптимизацию параметров схемы без необходимости прибегать к полномасштабному моделированию или, что еще хуже, экспериментам. А усилители класса D принимались во все более высокие слои рынка Hi-Fi. Не из-за того, как они измеряли, а из-за того, как они звучали. За исключением нескольких гиков и чудаков, никто не покупает усилитель, основываясь только на измерениях.

Люди слушают и платят только в том случае, если им нравится то, что они слышат

Это противоречит общепринятому мнению о том, что улучшенные измерения не имеют значения, особенно когда задействована обратная связь. От «Дизайна на слух» к «Дизайну для ушей» Здесь есть ирония. Многие аудиофилы все еще думают, что антиизмерения и антиобратные настроения каким-то образом контркультурны и освежают. Это не так. Они были устоявшейся культурой более 50 лет, увековеченной самопровозглашенными инженерами, у которых больше харизмы, чем математических навыков, которые водили вас за нос. Типичный цикл проектирования в эзотерических кругах высокого класса состоит из того, что берется продукт, звучание которого действительно нравится, и его называют «эталоном».

Затем, более или менее случайным образом, части и детали нового прототипа дорабатываются до тех пор, пока он не станет звучать «лучше», чем эталон. Прототип отправляется в производство и становится новым эталоном. Это броуновское движение звуковых идеалов и результатов объясняет, как некоторые компоненты «Hi-Fi» могут звучать совершенно непохоже. Эта практика «проектирования на слух» пытается замкнуть самый мощный ресурс проектирования, который у нас есть в распоряжении, а именно бит, который находится между этими ушами.

Качество звука — не тайна

Это решаемая проблема, если только мы хотим так думать. Позвольте мне предположить, что если мы строим усилитель, то опорным сигналом будет просто поступающий сигнал. Лучшим усилителем будет тот, выходной сигнал которого сложнее всего отличить на слух от входного сигнала. Интеллектуальным путем вперед становится создание тестов прослушивания, специально направленных на изучение того, что слышно, а что неслышно. И если слышно, что является нежелательным, а что безвредным? Получив эти знания, вы сможете использовать их вечно, чтобы информировать о своих технических решениях. Это то, что я люблю называть «дизайном для ушей». Показательный случай Цель отрицательной обратной связи — сделать усилитель неслышимым. Она работает как с легко измеряемыми механизмами искажений, так и с плохо понимаемыми. Например, она удаляет звуковые сигнатуры, которые некоторые пассивные компоненты придают схеме. Больше никаких квалификационных деталей на слух. Нам даже не нужно знать, почему конкретный конденсатор имеет определенный «звук», потому что, будучи обернутым в 80 дБ обратной связи, он этого не сделает.

Когда дело доходит до прослушивания, вам все равно нужно определить точные параметры вашей системы обратной связи, и вы не можете сделать это в вакууме. И меньше всего с усилителем класса D. В линейном усилителе (т. е. класса A, AB или B) полоса пропускания и скорость легко достижимы. В результате, стандартный способ улучшения искажений — увеличение полосы пропускания. При стандартной «компенсации доминирующего полюса» усиление контура следует пропорционально. Так называемая двухполюсная компенсация считается весьма продвинутой. Следовательно, в линейном усилителе нет ничего, что явно выделяло бы его для аудио.

Высокочастотные параметры, такие как скорость нарастания или THD на 20 кГц, достаточно хорошо коррелируют с субъективным качеством звука по той простой причине, что они коррелируют с полосой пропускания. К сожалению, тонны полосы пропускания — единственная роскошь, которой не может позволить себе разработчик усилителей с переключением. ШИМ — это процесс дискретизации. Как и в цифровом аудио, частота дискретизации напрямую задает полосу пропускания системы. Но вы не можете просто так увеличивать частоту переключения, потому что это увеличивает потери мощности и снижает запас по мощности. Несмотря на новые полупроводниковые технологии, разумно спроектированные усилители класса D вряд ли будут иметь полосу пропускания больше шестизначного числа в обозримом будущем. Следствием этого является то, что стратегии, применяемые в классе D, больше похожи на сигма-дельта АЦП/ЦАП, чем на что-либо еще. Сигма-дельта-преобразователи используют обратную связь для подавления шума и искажений в заданной низкочастотной полосе («базовая полоса»), позволяя им существовать и даже распространяться за ее пределами. Это заставляет разработчика усилителей класса D долго и упорно думать (и, следовательно, слушать), чтобы решить, насколько далеко должна заходить основная полоса. В наши дни я использую 6-полюсную компенсацию, что означает, что если бы я хотел удвоить основную полосу, я бы получил искажения в 64 раза выше. Правильный выбор основной полосы может сделать усилитель в высшей степени прозрачным; неправильный выбор может сделать его посредственным.

Мы можем, возможно, решить этот вопрос, только вспомнив, что мы проектируем продукт, который должен быть услышан. Теперь, может быть, есть некоторые споры о том, слышно ли спектральное содержимое выше 20 кГц. Однако я не собираюсь вызывать споры, говоря, что диапазон ниже 20 кГц гораздо более слышим, чем диапазон выше! Помните DSD? Его уровень шума низок до 20 кГц, а затем резко возрастает. Несмотря на это, он звучит отлично. DSD был основан на том факте, что его полоса пропускания простирается за пределы 20 кГц, что, как сообщается, очень слышно, при этом стена шума чуть выше 20 кГц оправдывается тем, что это не так. Отбросив дешевые шутки, DSD доказывает, что мы не слышим много выше 20 кГц, он указывает на то, что фильтр кирпичной стены прямо в конце диапазона человеческого слуха может быть натянутым.

Практический результат заключается в том, что строго для целей тестирования искажений и шума традиционная «полоса звукового диапазона» в 20 кГц является грубой, но полезной заменой для человеческого уха. Однако собственная полоса пропускания усилителя должна продолжаться и за пределами этой точки. Это также стало консенсусом среди серьезных поставщиков усилителей класса D. Но это порождает парадокс: если вы игнорируете все выше 20 кГц, вы не увидите никаких гармонических искажений для синусоидальных волн выше 10 кГц, потому что в этой точке вторая гармоника выходит за пределы диапазона измерений. Третья уже делает это на 6,66 кГц и так далее.

Вот пример графика THD как функции частоты.

Пример графика THD 2008 года как функции частоты на основе диаграммы усилителя класса D, измеренной в процентах и ​​Гц Опять же, этот график старый (2008 года), потому что в наши дни кривая в основном находится ниже уровня шума анализатора, скрывая эффект, на который я пытаюсь здесь указать. В нем доминирует третья гармоника с некоторой видимой второй. Перед тем, как HD3 внезапно выпадает из полосы измерения 20 кГц, он, похоже, делает разбег. А он продолжает расти выше 20 кГц. Это выглядит как обман, чтобы отсечь как раз тогда, когда все становится интересным, но на самом деле происходит ровно наоборот. Если что-то внутри звукового диапазона гораздо более слышно, чем что-то за его пределами, попытка улучшить искажение за пределами звукового диапазона за счет ухудшения внутри него — плохая идея.

И наоборот, улучшение искажения внутри звукового диапазона, даже за счет искажения выше 20 кГц, в высшей степени разумно. Таким образом, цикл оптимизируется таким образом, чтобы высокочастотное искажение, которое все еще попадает в звуковой диапазон, было равномерно сопоставлено с низкочастотным искажением. Это обеспечивает оптимальную производительность в звуковом диапазоне и приводит к минимальному слышимому окрашиванию для данной конкретной схемы. Но как тогда мы можем проверить, что усилитель может обрабатывать сигналы выше 10 кГц? Одиночная синусоида не справится, потому что все гармоники находятся за пределами диапазона измерения (и неслышимы).

Усилитель может сильно ограничивать сигнал, и мы не узнаем об этом. Решение состоит в том, чтобы взорвать усилитель почти до клиппинга двумя синусоидальными волнами прямо в конце звукового диапазона и проверить полученный спектр. Вы согласитесь, что это едва ли не худший возможный тестовый сигнал, который все еще технически можно квалифицировать как «аудио». Ничего подобного никогда не происходит в реальной музыке, так что это настоящий стресс-тест. Тест интермодуляции (IMD) усилителя класса D, график, измеренный по частоте [Гц] Два высоких столба 18,5 кГц и 19,5 кГц — это тестовые тоны. Компоненты искажений четного порядка видны на частоте 1 кГц и кратных, а компоненты нечетного порядка появляются с интервалом в 1 кГц от 17,5 кГц и ниже. Таким образом, несмотря на использование только сигналов аудиодиапазона и рассмотрение только результата аудиодиапазона, этот тест прекрасно показывает, на что способен усилитель в верхней части слышимого диапазона.

Вам будет приятно узнать, что на этот раз я использовал недавнее измерение, поскольку по крайней мере осталось некоторое искажение, которое можно увидеть. Усилитель — тот, что на графике осциллографа в начале статьи. Даже для линейных усилителей я считаю этот тест интермодуляции (IMD) более значимым, чем тест THD без ограничения полосы пропускания с 20 кГц. К счастью, по крайней мере одно издание Hi-Fi проводит этот тест как стандарт. Это избавляет меня от необходимости читать обзор. Caveat Emptor Если вы все еще со мной, то теперь вы хорошо понимаете, почему усилители класса D аудиофильского уровня не существовали в 2000 году и почему они существуют в 2024 году.

Однако одно предупреждение: я категорически не говорил, что все новые усилители класса D хороши. Появление модулей с очень высоким качеством звука создало эффект ореола, благодаря которому любой усилитель класса D внезапно получает свободу действий, каким бы грубым он ни был. Даже если вы не убеждены, что измерения имеют первостепенное значение, вы согласитесь, что они показывают, выполнил ли проектировщик свою домашнюю работу, и являются отличным способом отделить взрослых от детей.

Настаивайте на точных данных

Революция, которая есть и не есть GaN Новые материалы всегда заставляют сердца аудиофилов биться чаще, гораздо больше, чем успехи в инженерных основах. Где был бы рынок громкоговорителей без постоянного парада новых материалов для диффузоров? Им пришлось бы вносить фундаментальные улучшения, которые многие в отрасли считают сложными. Нечто подобное происходит на периферии класса D.

GaN усилитель

Давайте сначала разберемся с этим: да, GaN FET быстрее и проще в использовании, чем кремниевые. Но на уровнях мощности домашнего аудио разрыв невелик. 150-вольтовые GaN FET примерно в два раза быстрее своих гораздо более дешевых кремниевых аналогов.

Это означает, что если вы поместите GaN FET в существующий усилитель класса D, вы можете надеяться только на улучшение искажений примерно в 2 раза. Но что такое однозначная цифра, если учесть, что за последние годы мы уменьшили искажения в несколько тысяч раз, используя только дополнительный операционный усилитель и несколько пассивных элементов (и, надо признать, кучу формул)? Более того, это уменьшение касается всех направлений: искажения от синхронизации переключения, нелинейности выходного индуктора и шума источника питания — все это влияет. В то время как хваленый GaN FET улучшает только искажения синхронизации, которые даже не так уж и слышны. Это объясняет, почему известные игроки не запрыгнули в вагон.

«Когда вы знаете, что делаете, GaN на самом деле не двигает дело вперед и является пустой тратой денег. Мы сделаем GaN для вас, если вы считаете, что это поможет вам продавать продукты, но не ждите от нас энтузиазма». Напротив, это было с энтузиазмом воспринято как временная мера и модное словечко теми, кто мало что может предложить в плане интеллектуального дизайна или аудиокачества. Фактические схемы в большинстве коммерческих усилителей на основе GaN не представляют собой ничего, что мы бы не узнали 20 лет назад. Часто это базовые усилители с открытым контуром, как в учебниках, с отсутствием обратной связи, что смехотворно считается преимуществом.

Это печально, потому что GaN — это прорыв, просто не тот, который актуален для усилителей Hi-Fi и домашних кинотеатров. Это заметно и впечатляюще меняется, как только вы проходите 200 В. Кремниевые полевые транзисторы на 200 В значительно медленнее, чем на 150 В. Напротив, между 150- и 600-вольтовыми GaN-транзисторами нет большого разрыва в скорости. Хотя GaN не собирается менять доступные аудиохарактеристики, он определенно изменит уровень мощности, на котором эти характеристики доступны. Могу вас заверить, что для всего, что выше киловатта, я бы использовал GaN. Не потому, что это магия, а потому, что это практично. Это то, чего стоит ждать. Представьте себе усилитель для туров с аудиофильскими характеристиками… Куда это идет «Класс D становится таким же хорошим, как класс A?» — спрашивают люди. Настолько же хорошим, как какой именно усилитель класса A? Я высоко ценю Boulders и Halcros этого мира, усилители, которые звучат хорошо, потому что их технические характеристики безупречны.

Модули класса D

Вы слышите музыку в ее полной неподдельной красе, а не чью-то интерпретацию. Но это редкие звери. Большинство производителей высококачественных усилителей класса A предпочитают идти по легкому пути и продвигать культуру.

Между тем, все без исключения разработчики модулей класса D сфокусированы на свободе от окраски. Некоторые определенно догнали лучших представителей класса A, а другие не сильно отстают. Слышимые различия между марками модулей класса D продолжают существовать, но они постепенно становятся все меньше и меньше, пока не станут бессмысленными. По мере перехода от одной технологии к другой конфликт между этими двумя культурами становится все более острым. Поставленный на место С технологической точки зрения, класс D сложен. Даже просто компоновка печатной платы — это кошмар для понимания, не говоря уже о схеме. Все действительно высокопроизводительные разработки создаются горсткой людей, которые сделали на этом карьеру. И они не публикуют руководства с инструкциями. На рынке, где от продукта часто зависит от того, будет ли он разработан внутри компании, это проблема.

Спроектировать свой первый усилитель класса D и подобрать легкодоступные готовые модули с самого начала практически невозможно. Необходимые исследовательские усилия таковы, что вы можете надеяться только на то, чтобы окупить инвестиции, став еще одним поставщиком модулей. Если только вы не готовы выполнить работу новичка и передать проблему отделу маркетинга (см.: GaN). Следовательно, наиболее распространенный вопрос, который я получаю от компаний Hi-Fi, звучит так: «Как отличить мой усилитель от усилителя конкурента, который также использует ваш модуль?» Выход из этого Добавляя ценность, вот как. Возьмем M33 от NAD, номинально «усилитель». Он содержит потоковую передачу, преобразование, эквалайзер помещения и беспроводное подключение. Модули усилителя (Purifi) — это всего лишь часть целого пакета. Люди, которые покупают M33, не делают этого только из-за выбора усилителя. Выбор надежных деталей для нового проекта повышает доверие клиентов, но это все еще во многом собственный уникальный продукт вашей компании. Вам не следует полагаться исключительно на силовой каскад, чтобы привлечь клиентов. Если то, что вы пытаетесь продать, состоит из ничего, кроме готового модуля в коробке, это проблема, которую вы сами себе создали.

Возможно, «тупой усилитель» как категория продукта исчерпала себя. Как схема, усилитель мощности является технологическим артефактом. Но металлический корпус, в котором нет ничего, кроме сетевого входа, линейного входа и пары клемм для динамиков, является культурным артефактом. Его существование основано не на нашем желании иметь хороший звук в доме, а на том, как мы привыкли делать Hi-Fi.

 Сломанная модель

Помните, как школьный усилитель был уничтожен тем фактом, что он состоял из отдельных блоков, чьи роли высечены в камне? Та же близорукость влияет на традиционный Hi-Fi. У вас есть «источник», «предусилитель», «усилитель» и «динамик». Если вы богаты, вы захотите разделить цифровой источник, скажем, на стример и ЦАП, каждый из которых в свою очередь может продаваться как одна коробка с работой и другая коробка с блоками питания (отдельные цифровые и аналоговые блоки питания, естественно).

Неужели кто-то действительно верит, что возросшая «боксификация» Hi-Fi-систем делает их более совершенными? Является ли пара пассивных колонок с настоящим стимпанковским алтарем между ними логическим завершением поиска предельного музыкального реализма? Почему устройство, выполняющее несколько функций, считается «бюджетным» или «среднебюджетным», в то время как тупой моноблочный усилитель может иметь неограниченную цену? О, они скажут вам, что это для того, чтобы различные части не мешали друг другу. Любой может увидеть, что обратное верно: если что-то такое глупое, как другой шнур питания на цифровом стримере, вызывает слышимые изменения, это доказывает, что подход с раздельными компонентами дал эффектный обратный эффект, и все джунгли проводов за вашей стойкой Hi-Fi создают перекрестные помехи.

Если клиент может менять компоненты по своему желанию, магазины могут продавать обновления по своему желанию. Это называется «хобби». Вы не покупаете звуковую систему; вы отправляетесь в путешествие. Такое, в котором люди, по-видимому, теряют желание слушать музыку, свидетельством чему служит безвкусная дрянь, проигрываемая на демонстрациях Hi-Fi.

Интегрированные системы — это вопрос…

Основной недостаток сменных раздельных компонентов в том, что они исключают любую синергию. Чтобы прояснить ситуацию, рассмотрим полярную противоположность — активные колонки. Под этим я не подразумеваю пассивные АС с вынутыми фильтрами, замененными их активным эквивалентом. Такие продукты, которые можно использовать только на ощупь, не отражают того, что возможно, если изначально задумать динамик как активный и оптимизировать его конструкцию до мелочей. Активный эквалайзер позволяет вам обменять размер корпуса на мощность усилителя, так что вы можете сделать продукт меньше.

Цифровая фазовая коррекция позволяет избавиться от временной размытости, которая является фундаментальной частью пассивных кроссоверов. Умное перекрытие нескольких драйверов позволяет вам ограничить направленность и уменьшить влияние помещения. Правильно выполненные активные колонки делают то, что физически невозможно для пассивных.

Еще приятнее: активный дешевле: модули усилителя класса D стоят дешевле, чем некоторые индукторы для пассивных кроссоверов. Вы можете построить что-то, что будет бегать по кольцам вокруг первоклассной разделительной установки и замаскировать ее под продукт для образа жизни с соответствующей ценой.

…Жизнь или смерть

Не проходит и недели, чтобы какой-нибудь эксперт не задался вопросом: «Умирает ли высококачественный звук?» и почему мы не можем заинтересовать молодежь высококачественным звуком. Разве это не очевидно? Молодая пара случайно переступает порог магазина Hi-Fi, где им безапелляционно сообщают, что им придется самостоятельно разобраться в усилителях, ЦАПах, колонках, «межсетевых кабелях» (т. е. кабелях), шнурах питания и «настройке системы», прежде чем они смогут даже подумать о том, чтобы расстаться со своими деньгами. Вы удивлены, что они решили, что это не для них? Не так давно ведущий журнал Hi-Fi опубликовал редакционную статью, в которой предлагалось решить проблему с помощью неких стартовых продуктов: простых проигрывателей, минималистских усилителей класса А и массивных АС, взятых прямо из комнаты в общежитии автора 1970-х годов. Это более чем цинично.

НО цель состояла не в том, чтобы заинтересовать молодежь высококачественным звуком как таковым, а в том, чтобы возиться с коробками. Это даже не сработает: когда дети когда-либо были в восторге от того же, что нравилось их родителям в детстве? Как насчет того, чтобы дать им то, за чем они пришли в магазин? Систему, которая надежно звучит хорошо и не предлагает им ненужного выбора. Предпочтительно то, что не требует ничего, кроме кабеля питания и телефона для воспроизведения музыки. Дайте им все удобство использования их дешевых беспроводных колонок и саундбаров, но совместите это с замирающим сердце прекрасным звуком. Не факт, что высококачественное усиление стало товаром, но заставить производителей пересмотреть свою стратегию. Им нужно обеспечить выживание самого Hi-Fi. Усилители в классе D — это не революция, и он ее не вызовет. Класс D нужен, чтобы помочь революции.

Перевёл Левчук А.Н. отсюда https://hometheaterhifi.com/30th-anniversary/the-now/life-on-the-edge-a-personal-perspective-on-the-past-present-and-future-of-class-d-audio-amplifiers/