Dźwięk tuby

Lampy próżniowe świecące wewnątrz sekcji przedwzmacniacza nowoczesnego wzmacniacza gitarowego

Dźwięk lampy (lub dźwięk zaworu ) to charakterystyczny dźwięk związany ze wzmacniaczem lampowym (wzmacniacz lampowy w brytyjskim angielskim), wzmacniaczem audio opartym na lampach próżniowych . Początkowo koncepcja dźwięku lampowego nie istniała, ponieważ praktycznie całe elektroniczne wzmacnianie sygnałów audio odbywało się za pomocą lamp próżniowych, a inne porównywalne metody nie były znane ani stosowane. Po wprowadzeniu wzmacniaczy tranzystorowych dźwięk lampowy pojawił się jako logiczne uzupełnienie brzmienia tranzystorowego, co miało pewne negatywne konotacje ze względu na zniekształcenia krzyżowe we wczesnych wzmacniaczach tranzystorowych. Jednak wzmacniacze półprzewodnikowe zostały opracowane tak, aby były bezbłędne, a dźwięk jest później uważany za neutralny w porównaniu ze wzmacniaczami lampowymi. Tak więc dźwięk lampowy oznacza teraz „eufoniczne zniekształcenie”. Słyszalne znaczenie wzmocnienia lampowego dla sygnałów audio jest przedmiotem ciągłej debaty wśród entuzjastów audio. ^{[ potrzebne dalsze wyjaśnienia ]}

Wielu muzyków grających na gitarze elektrycznej , basie elektrycznym i klawiszach w kilku gatunkach również preferuje dźwięk lampowych wzmacniaczy instrumentalnych lub przedwzmacniaczy. Wzmacniacze lampowe są również preferowane przez niektórych słuchaczy do systemów stereo. ^{[ potrzebne dalsze wyjaśnienia ]}

Granie dynamiki z gitarą elektryczną i lampowym przesterem

Demonstracja dynamiki gitary elektrycznej z lampowym przesterem ustawionym na chrupiące brzmienie. Ledwie dotknięcie strun daje prawie czysty dźwięk; cięższe granie skutkuje zniekształceniami.

Masz problemy z odtwarzaniem tego pliku? Zobacz pomoc dotyczącą multimediów .

Historia

Przed komercyjnym wprowadzeniem tranzystorów w latach pięćdziesiątych XX wieku wzmacniacze elektroniczne wykorzystywały lampy próżniowe (znane w Wielkiej Brytanii jako „zawory”). W latach sześćdziesiątych XX wieku półprzewodnikowe (tranzystorowe) stało się bardziej powszechne ze względu na mniejsze rozmiary, mniejszą wagę, mniejszą produkcję ciepła i lepszą niezawodność. Wzmacniacze lampowe zachowały lojalnych zwolenników wśród niektórych audiofilów i muzyków. Niektóre konstrukcje lamp osiągają bardzo wysokie ceny, a wzmacniacze lampowe przeżywają odrodzenie, odkąd rynki chińskie i rosyjskie otworzyły się na światowy handel – produkcja lamp nigdy nie wyszła z mody w tych krajach. ^{[ potrzebne dalsze wyjaśnienia ] Wiele} wzmacniaczy mocy audio opartych na tranzystorach wykorzystuje urządzenia MOSFET (tranzystor polowy z efektem metal-tlenek-półprzewodnik) w swoich sekcjach mocy , ponieważ ich krzywa zniekształceń jest bardziej podobna do lampowej.

Wzmacnianie instrumentów muzycznych

Niektórzy muzycy wolą charakterystykę zniekształceń lamp niż tranzystorów we wzmacniaczach gitar elektrycznych, basowych i innych instrumentów. W tym przypadku zwykle celem jest generowanie celowych (a w przypadku gitar elektrycznych często znacznych) słyszalnych zniekształceń lub przesterowań . Termin ten może być również używany do opisania dźwięku wytwarzanego przez specjalnie zaprojektowane wzmacniacze tranzystorowe lub cyfrowe urządzenia modelujące, które starają się ściśle naśladować charakterystykę dźwięku lampowego.

Dźwięk lampowy jest często subiektywnie opisywany jako posiadający „ciepło” i „bogactwo”, ale źródło tego nie jest w żaden sposób uzgodnione. Możliwe wyjaśnienia obejmują nieliniowe obcinanie lub wyższe poziomy zniekształceń harmonicznych drugiego rzędu w konstrukcjach single-ended, wynikające z interakcji lampy z indukcyjnością transformatora wyjściowego.

Słyszalne różnice

Dźwięk wzmacniacza lampowego jest częściowo funkcją topologii obwodów zwykle stosowanych w lampach w stosunku do topologii zwykle stosowanych w tranzystorach, a także samych urządzeń wzmacniających. Poza konstrukcją obwodów istnieją inne różnice, takie jak różne charakterystyki elektroniczne triodowych , tetrodowych i pentodowych , a także ich półprzewodnikowych odpowiedników, takich jak tranzystor bipolarny , FET , MOSFET , IGBT itp. ^{[ Potrzebne źródło ]} Można je dalej podzielić na różnice między różnymi modelami wspomnianego typu urządzeń (np. EL34 w stosunku do tetrod 6L6). W wielu przypadkach topologie obwodów muszą uwzględniać te różnice, aby albo ujednolicić ich bardzo zróżnicowane charakterystyki, albo ustalić określony punkt pracy wymagany przez urządzenie. ^{[ potrzebne źródło ]}

Spadek niskich częstotliwości można wytłumaczyć tym, że wiele wzmacniaczy lampowych ma wysoką impedancję wyjściową w porównaniu z konstrukcjami tranzystorowymi. Odchylenie jest spowodowane wyższą impedancją urządzenia i zmniejszonymi marginesami sprzężenia zwrotnego (więcej sprzężenia zwrotnego skutkuje niższą impedancją wyjściową). ^{[ potrzebne źródło ]} Niektóre konstrukcje wzmacniaczy lampowych wykorzystują minimalne sprzężenie zwrotne, podczas gdy inne wykorzystują go nieco więcej. To, ile sprzężenia zwrotnego jest optymalne dla wzmacniaczy lampowych, pozostaje przedmiotem dyskusji. ^{[ potrzebne źródło ]}

Zawartość i zniekształcenia harmoniczne

Triody (i tranzystory MOSFET ) wytwarzają monotonicznie zanikające widmo zniekształceń harmonicznych. ^{[ potrzebne wyjaśnienie ]} Harmoniczne parzystego i nieparzystego rzędu są naturalnymi wielokrotnościami częstotliwości wejściowej.

Analiza psychoakustyczna mówi nam, że harmoniczne wyższego rzędu są bardziej obraźliwe niż niskie. Z tego powodu pomiary zniekształceń powinny ważyć słyszalne harmoniczne wyższego rzędu bardziej niż niskie. Znaczenie harmonicznych wyższego rzędu sugeruje, że zniekształcenia należy rozpatrywać w kategoriach pełnego szeregu lub złożonego kształtu fali, który ten szereg reprezentuje. Wykazano, że ważenie harmonicznych przez kwadrat rzędu dobrze koreluje z subiektywnymi testami odsłuchowymi. Ważenie kształtu fali zniekształcenia proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości daje miarę odwrotności promienia krzywizny kształtu fali, a zatem jest związane z ostrością dowolnych rogów na nim. Na podstawie tego odkrycia opracowano wysoce wyrafinowane metody ważenia harmonicznych zniekształceń. Ponieważ skupiają się na źródłach zniekształceń, są przydatne głównie dla inżynierów, którzy opracowują i projektują wzmacniacze audio, ale z drugiej strony mogą być trudne w użyciu dla recenzentów, którzy mierzą tylko moc wyjściową.

Ogromnym problemem jest to, że pomiary o charakterze obiektywnym (na przykład te wskazujące wielkość naukowo policzalnych zmiennych, takich jak prąd, napięcie, moc, THD, dB itd.) nie odnoszą się do subiektywnych preferencji. Zwłaszcza w przypadku projektowania lub recenzowania wzmacniaczy instrumentalnych jest to spory problem, ponieważ cele projektowe takich wzmacniaczy znacznie różnią się od celów projektowych takich jak wzmacniacze HiFi. Projektowanie HiFi w dużej mierze koncentruje się na poprawie wydajności obiektywnie mierzalnych zmiennych. Projektowanie wzmacniaczy instrumentalnych w dużej mierze koncentruje się na kwestiach subiektywnych, takich jak „przyjemność” określonego rodzaju brzmienia. Dobrymi przykładami są przypadki zniekształceń lub charakterystyki częstotliwościowej: konstrukcja HiFi stara się zminimalizować zniekształcenia i skupia się na eliminowaniu „obraźliwych” harmonicznych. Ma również na celu idealnie płaską odpowiedź. Konstrukcja wzmacniacza do instrumentów muzycznych celowo wprowadza zniekształcenia i duże nieliniowości w odpowiedzi częstotliwościowej. Dawna „ofensywność” niektórych typów harmonicznych staje się tematem wysoce subiektywnym, podobnie jak preferencje co do niektórych typów odpowiedzi częstotliwościowych (płaskich lub niepłaskich). ^{[ potrzebne źródło ]}

Wzmacniacze przeciwsobne wykorzystują dwa nominalnie identyczne urządzenia wzmacniające w tandemie. Jedną z konsekwencji tego jest to, że wszystkie produkty harmoniczne parzystego rzędu znoszą się, pozwalając jedynie na zniekształcenia nieparzystego rzędu. Dzieje się tak, ponieważ wzmacniacz przeciwsobny ma symetryczną ( nieparzystą symetrię ) charakterystykę przenoszenia . Wzmacniacze mocy są typu przeciwsobnego, aby uniknąć nieefektywności wzmacniaczy klasy A. ^{[ potrzebne źródło ]}

Wzmacniacz single-ended będzie generalnie wytwarzał parzyste i nieparzyste harmoniczne. W szczególnie słynnym badaniu dotyczącym „dźwięku lampowego” porównano wybór lampowych przedwzmacniaczy mikrofonowych z pojedynczą końcówką do wybranych przedwzmacniaczy mikrofonowych z tranzystorami typu push-pull. Różnica we wzorcach harmonicznych tych dwóch topologii była odtąd często błędnie przypisywana jako różnica między urządzeniami lampowymi i półprzewodnikowymi (lub nawet klasą wzmacniaczy). Wzmacniacze lampowe typu push-pull mogą pracować w klasie A (rzadko), AB lub B. Ponadto wzmacniacz klasy B może mieć zniekształcenia krzyżowe, które będą zazwyczaj wysokiego rzędu, a zatem dźwiękowo bardzo niepożądane.

Zawartość zniekształceń w obwodach klasy A (SE lub PP) zwykle zmniejsza się monotonicznie wraz ze zmniejszaniem poziomu sygnału, asymptotycznie do zera podczas cichych fragmentów muzyki. Z tego powodu wzmacniacze klasy A są szczególnie pożądane w przypadku muzyki klasycznej i akustycznej, ponieważ zniekształcenia w stosunku do sygnału zmniejszają się, gdy muzyka staje się cichsza. Wzmacniacze klasy A najlepiej mierzą przy małej mocy. Wzmacniacze klasy AB i B mierzą najlepiej tuż poniżej maksymalnej mocy znamionowej. ^{[ potrzebne źródło ]}

Głośniki stanowią obciążenie bierne dla wzmacniacza ( pojemność , indukcyjność i rezystancja) . ). Wartość tej impedancji może zmieniać się wraz z częstotliwością i amplitudą sygnału. To zmienne obciążenie wpływa na wydajność wzmacniacza zarówno dlatego, że wzmacniacz ma niezerową impedancję wyjściową (nie może utrzymać idealnie stałego napięcia wyjściowego, gdy zmienia się obciążenie głośników), jak i dlatego, że faza obciążenia głośnika może zmienić margines stabilności wzmacniacza. Wpływ impedancji głośnika jest różny dla wzmacniaczy lampowych i tranzystorowych. Powodem jest to, że wzmacniacze lampowe zwykle używają transformatorów wyjściowych i nie mogą wykorzystywać dużo ujemnego sprzężenia zwrotnego z powodu problemów fazowych w obwodach transformatora. Godnymi uwagi wyjątkami są różne wzmacniacze lampowe „OTL” (bez transformatora wyjściowego), których pionierem był Julius Futterman w latach pięćdziesiątych XX wieku, lub nieco rzadsze wzmacniacze lampowe, które zastępują transformator dopasowujący impedancję dodatkowym (często, choć niekoniecznie tranzystorowym) obwodem w celu wyeliminowania pasożytnicze i niezwiązane muzycznie zniekształcenia magnetyczne. Oprócz tego wiele wzmacniaczy półprzewodnikowych, zaprojektowanych specjalnie do wzmacniania instrumentów elektrycznych, takich jak gitary lub gitary basowe, wykorzystuje obwody sprzężenia zwrotnego prądu. Ten obwód zwiększa impedancję wyjściową wzmacniacza, co skutkuje odpowiedzią podobną do odpowiedzi wzmacniaczy lampowych. ^{[ potrzebne źródło ]}

Konstrukcja zwrotnic głośnikowych i inne właściwości elektromechaniczne mogą spowodować, że głośnik o bardzo nierównej krzywej impedancji dla głośnika o nominalnej impedancji 8 Ω będzie miał w niektórych miejscach zaledwie 6 Ω, a w innych miejscach nawet 30–50 Ω. krzywa. Wzmacniacz z niewielkim lub zerowym sprzężeniem zwrotnym zawsze będzie działał słabo w zestawieniu z głośnikiem, w którym niewiele uwagi poświęcono krzywej impedancji. ^{[ potrzebne źródło ]}

Porównanie projektów

Odbyła się poważna debata na temat charakterystyki lamp w porównaniu z bipolarnymi tranzystorami złączowymi . Triody i tranzystory MOSFET mają pewne podobieństwa w charakterystyce przenoszenia. Późniejsze formy lampy, tetroda i pentoda , mają zupełnie inne właściwości, które są pod pewnymi względami podobne do tranzystora bipolarnego. Jednak obwody wzmacniaczy MOSFET zwykle nie odtwarzają dźwięku lampowego bardziej niż typowe konstrukcje bipolarne. Powodem są różnice obwodów między typową konstrukcją lampową a typową konstrukcją MOSFET.

Impedancja wejściowa

Cechą charakterystyczną większości konstrukcji wzmacniaczy lampowych jest wysoka impedancja wejściowa (zwykle 100 kΩ lub więcej) w nowoczesnych konstrukcjach i aż 1 MΩ w klasycznych konstrukcjach. Impedancja wejściowa wzmacniacza jest obciążeniem dla urządzenia źródłowego. Nawet dla niektórych nowoczesnych urządzeń do odtwarzania muzyki zalecana impedancja obciążenia wynosi ponad 50 kΩ. Oznacza to, że wejście przeciętnego wzmacniacza lampowego jest bezproblemowym obciążeniem dla źródeł sygnału muzycznego. Z kolei niektóre wzmacniacze tranzystorowe do użytku domowego mają niższą impedancję wejściową, nawet 15 kΩ. Ponieważ możliwe jest użycie urządzeń o wysokiej impedancji wyjściowej ze względu na wysoką impedancję wejściową, może być konieczne uwzględnienie innych czynników, takich jak pojemność kabla i mikrofonowanie.

Impedancja wyjściowa

Głośniki zwykle ładują wzmacniacze audio. W historii audio prawie wszystkie głośniki były głośnikami elektrodynamicznymi. Istnieje również mniejszość głośników elektrostatycznych i kilka innych, bardziej egzotycznych głośników. Głośniki elektrodynamiczne przekształcają prąd elektryczny w siłę i siłę w przyspieszenie membrany, co powoduje ciśnienie akustyczne. Ze względu na zasadę działania głośnika elektrodynamicznego większość przetworników powinna być zasilana sygnałem elektrycznym. Sygnał prądowy napędza głośnik elektrodynamiczny dokładniej, powodując mniejsze zniekształcenia niż sygnał napięciowy.

W idealnym wzmacniaczu prądowym lub transkonduktancyjnym impedancja wyjściowa dąży do nieskończoności. Praktycznie wszystkie komercyjne wzmacniacze audio są wzmacniaczami napięciowymi. Ich impedancje wyjściowe zostały celowo opracowane tak, aby zbliżały się do zera. Ze względu na charakter lamp próżniowych i transformatorów audio impedancja wyjściowa przeciętnego wzmacniacza lampowego jest zwykle znacznie wyższa niż nowoczesnych wzmacniaczy audio wyprodukowanych całkowicie bez lamp próżniowych lub transformatorów audio. Większość wzmacniaczy lampowych o wyższej impedancji wyjściowej jest mniej idealnymi wzmacniaczami napięciowymi niż półprzewodnikowe wzmacniacze napięciowe o mniejszej impedancji wyjściowej.

Miękkie strzyżenie

Miękkie przesterowanie jest bardzo ważnym aspektem dźwięku lampowego, szczególnie w przypadku wzmacniaczy gitarowych . Wzmacniacz hi-fi zwykle nie powinien być doprowadzany do przesterowania. Harmoniczne dodawane do sygnału mają niższą energię przy miękkim przesterowaniu niż przy twardym przesterowaniu . Jednak miękkie przycinanie nie dotyczy wyłącznie lamp. Można to symulować w obwodach tranzystorowych (poniżej punktu, w którym wystąpiłoby prawdziwe twarde obcinanie). (Patrz „Celowe zniekształcenie” ).

Duże ilości globalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego nie są dostępne w obwodach lampowych ze względu na przesunięcie fazowe w transformatorze wyjściowym i brak wystarczającego wzmocnienia bez dużej liczby lamp. Przy niższym sprzężeniu zwrotnym zniekształcenia są większe i przeważnie niskiego rzędu. Początek przycinania jest również stopniowy. Duże ilości sprzężeń zwrotnych, na które pozwalają obwody beztransformatorowe z wieloma aktywnymi urządzeniami, prowadzą do liczbowo niższych zniekształceń, ale z większą liczbą harmonicznych i trudniejszym przejściem do przesterowania. Gdy wejście wzrasta, sprzężenie zwrotne wykorzystuje dodatkowe wzmocnienie, aby upewnić się, że wyjście podąża za nim dokładnie, dopóki wzmacniacz nie będzie już miał do zaoferowania wzmocnienia i wyjście się nasyci.

Jednak przesunięcie fazowe jest w dużej mierze problemem tylko w przypadku globalnych pętli sprzężenia zwrotnego. Architektury projektowe z lokalnymi sprzężeniami zwrotnymi mogą być wykorzystane do kompensacji braku wielkości globalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego. „Selektywizm” projektowy to ponownie trend, który można zaobserwować: projektanci urządzeń wytwarzających dźwięk mogą uznać brak sprzężenia zwrotnego i wynikające z niego wyższe zniekształcenia za korzystne, projektanci urządzeń odtwarzających dźwięk o niskich zniekształceniach często stosowali lokalne pętle sprzężenia zwrotnego.

Miękkie obcinanie nie jest również wynikiem samego braku sprzężenia zwrotnego: Lampy mają różne krzywe charakterystyczne. Czynniki takie jak odchylenie wpływają na linię obciążenia i charakterystykę przesterowania. Wzmacniacze stałe i z polaryzacją katodową zachowują się i przesterowują inaczej przy przesterowaniu. Rodzaj obwodów inwertera fazowego może również znacznie wpływać na miękkość (lub jej brak) przesterowania: na przykład obwód pary z długimi ogonami ma łagodniejsze przejście do przesterowania niż katodyna. Sprzężenie odwracacza fazy i lamp mocy jest również ważne, ponieważ niektóre typy układów sprzęgających (np. sprzężenie transformatora) mogą napędzać lampy mocy do klasy AB2, podczas gdy inne typy nie.

W przemyśle nagraniowym, a zwłaszcza we wzmacniaczach mikrofonowych wykazano, że wzmacniacze są często przeciążane przez stany nieustalone sygnału. Russell O. Hamm, inżynier pracujący dla Waltera Seara w Sear Sound Studios, napisał w 1973 roku, że istnieje zasadnicza różnica między składowymi zniekształceń harmonicznych sygnału o zniekształceniach większych niż 10%, które zostały wzmocnione trzema metodami: lampami, tranzystorami lub wzmacniacze operacyjne.

Inżynier masteringu R. Steven Mintz napisał odpowiedź na artykuł Hamma, mówiąc, że projekt obwodu ma ogromne znaczenie, bardziej niż lampy w porównaniu z komponentami półprzewodnikowymi.

Artykuł Hamma został również skontrowany przez Dwighta O. Monteitha Jr i Richarda R. Flowersa w ich artykule „Transistors Sound Better Than Tubes”, w którym przedstawiono projekt przedwzmacniacza mikrofonowego tranzystorowego, który faktycznie reagował na przejściowe przeciążenie, podobnie jak ograniczony wybór przedwzmacniaczy lampowych testowanych przez Hamm . Monteith i Flowers powiedzieli: „Podsumowując, prezentowany tutaj wysokonapięciowy przedwzmacniacz tranzystorowy potwierdza punkt widzenia Mintza:„ W analizie terenowej charakterystyka typowego systemu wykorzystującego tranzystory zależy od konstrukcji, tak jak ma to miejsce w przypadku obwodów lampowych. określony „dźwięk” można uzyskać lub uniknąć według uznania projektanta, bez względu na to, jakich aktywnych urządzeń używa.

Innymi słowy, miękkie przycinanie nie jest wyłączną cechą lamp próżniowych ani nawet nieodłączną ich właściwością. W praktyce charakterystyka przesterowania jest w dużej mierze podyktowana całym obwodem, a zatem może wahać się od bardzo miękkiego do bardzo twardego, w zależności od obwodów. To samo dotyczy obwodów lampowych i półprzewodnikowych. Na przykład obwody półprzewodnikowe, takie jak operacyjne wzmacniacze transkonduktancyjne obsługiwane w pętli otwartej lub kaskady MOSFET inwerterów CMOS, są często używane w zastosowaniach komercyjnych do generowania bardziej miękkiego obcinania niż to, które zapewniają ogólne stopnie wzmocnienia triodowego. W rzeczywistości można zaobserwować, że ogólne stopnie wzmocnienia triody są raczej „mocne”, jeśli ich wyjście zostanie zbadane za pomocą oscyloskopu.

Przepustowość łącza

Wczesne wzmacniacze lampowe często miały ograniczone pasmo przenoszenia , częściowo ze względu na charakterystykę dostępnych wówczas niedrogich elementów pasywnych . We wzmacniaczach mocy większość ograniczeń pochodzi z transformatora wyjściowego; niskie częstotliwości są ograniczone przez indukcyjność pierwotną, a wysokie częstotliwości przez indukcyjność rozproszenia i pojemność. Kolejnym ograniczeniem jest połączenie wysokiej impedancji wyjściowej, kondensatora odsprzęgającego i rezystora siatkowego, który działa jak filtr górnoprzepustowy . Jeśli połączenia są wykonane z długich kabli (na przykład wejście gitary do wzmacniacza), wysoka impedancja źródła przy dużej pojemności kabla będzie działać jak filtr dolnoprzepustowy .

Nowoczesne komponenty premium ułatwiają produkcję wzmacniaczy, które są zasadniczo płaskie w paśmie audio, z tłumieniem poniżej 3 dB przy 6 Hz i 70 kHz, znacznie poza zakresem słyszalności.

Negatywne opinie

Typowe (inne niż OTL) lampowe wzmacniacze mocy nie mogły wykorzystywać tak dużej ilości ujemnego sprzężenia zwrotnego (NFB) jak wzmacniacze tranzystorowe ze względu na duże przesunięcia fazowe powodowane przez transformatory wyjściowe i ich wzmocnienia na niższych stopniach. Chociaż brak NFB znacznie zwiększa zniekształcenia harmoniczne, pozwala uniknąć niestabilności, a także szybkości narastania i szerokości pasma narzuconych przez kompensację dominującego bieguna we wzmacniaczach tranzystorowych. Jednak efekty stosowania niskiego sprzężenia zwrotnego dotyczą zasadniczo tylko obwodów, w których występują znaczne przesunięcia fazowe (np. wzmacniacze mocy). W stopniach przedwzmacniacza można łatwo zastosować duże ilości ujemnego sprzężenia zwrotnego. Takie projekty są powszechnie spotykane w wielu aplikacjach opartych na lampach, których celem jest wyższa wierność.

Z drugiej strony, dominująca kompensacja biegunów we wzmacniaczach tranzystorowych jest precyzyjnie kontrolowana: można zastosować dokładnie tyle, ile potrzeba, aby osiągnąć dobry kompromis dla danej aplikacji.

Efektem kompensacji bieguna dominującego jest zmniejszenie wzmocnienia przy wyższych częstotliwościach. Jest coraz mniej NFB przy wysokich częstotliwościach ze względu na zmniejszone wzmocnienie pętli.

We wzmacniaczach audio ograniczenia przepustowości wprowadzone przez kompensację nadal daleko wykraczają poza zakres częstotliwości audio, a ograniczenia szybkości narastania można skonfigurować w taki sposób, aby można było odtworzyć sygnał o pełnej amplitudzie 20 kHz bez napotykania zniekształceń szybkości narastania, co nawet nie jest konieczne do odtwarzania rzeczywistego materiału dźwiękowego.

Zasilacze

Wczesne wzmacniacze lampowe miały zasilacze oparte na lampach prostowniczych. Dostawy te były nieuregulowane, co jest praktyką, która trwa do dziś w konstrukcjach wzmacniaczy tranzystorowych. Typowym anodowym był prostownik , być może półfalowy, dławik ( cewka ) i kondensator filtrujący . Gdy wzmacniacz lampowy pracował przy dużej głośności, ze względu na wysoką impedancję lamp prostownika, napięcie zasilania spadało, gdy wzmacniacz pobierał więcej prądu (zakładając klasę AB), zmniejszając moc wyjściową i powodując modulację sygnału. Efekt zanurzenia jest znany jako „zwis”. Zwis może być pożądanym efektem dla niektórych gitarzystów elektrycznych w porównaniu z twardym przesterowaniem. Wraz ze wzrostem obciążenia lub mocy wyjściowej wzmacniacza, ten spadek napięcia zwiększy zniekształcenie sygnału wyjściowego. Czasami ten efekt zwisu jest pożądany przy wzmacnianiu gitary.

Blackheart 5 W single-ended wzmacniacz gitarowy klasy A z dodatkowo zainstalowanym prostownikiem lampowym GZ34

prostownik lampowy zamiast diod krzemowych, a niektóre konstrukcje oferują wybór obu prostowników za pomocą przełącznika. Taki wzmacniacz został wprowadzony w 1989 roku przez firmę Mesa/Boogie pod nazwą „Dual Rectifier”, a przełączanie prostownika jest przedmiotem patentu.

Dzięki dodatkowej rezystancji szeregowo z zasilaniem wysokonapięciowym prostowniki krzemowe mogą emulować spadek napięcia prostownika rurowego. Rezystancję można włączyć w razie potrzeby.

Wzmacniacze do gitar elektrycznych często wykorzystują wzmacniacz klasy AB ₁ . W stopniu klasy A średni prąd pobierany z zasilacza jest stały wraz z poziomem sygnału, w związku z czym nie powoduje zwisu linii zasilającej do momentu osiągnięcia punktu przecięcia. Inne efekty dźwiękowe wynikające z zastosowania prostownika lampowego z tą klasą wzmacniaczy są mało prawdopodobne.

W przeciwieństwie do swoich półprzewodnikowych odpowiedników, prostowniki lampowe wymagają czasu na rozgrzanie, zanim będą mogły dostarczać napięcia B+/HT. To opóźnienie może chronić lampy próżniowe zasilane z prostownika przed uszkodzeniem katody w wyniku przyłożenia napięć B+/HT, zanim lampy osiągną właściwą temperaturę roboczą przez wbudowaną grzałkę lampy.

Klasa A

Zaletą wszystkich wzmacniaczy klasy A jest brak zniekształceń zwrotnicy . To zniekształcenie krzyżowe okazało się szczególnie irytujące po pojawieniu się na rynku konsumenckim pierwszych wzmacniaczy tranzystorowych klasy B i klasy AB z tranzystorami krzemowymi. Wcześniejsze konstrukcje oparte na germanie ze znacznie niższym napięciem włączania tej technologii i nieliniowymi krzywymi odpowiedzi urządzeń nie wykazywały dużych ilości zniekształceń krzyżowych. Chociaż zniekształcenia krzyżowe są bardzo męczące dla ucha i wyczuwalne w testach odsłuchowych, są również prawie niewidoczne (dopóki nie zostaną znalezione) w tradycyjnym całkowitego zniekształcenia harmonicznego (THD) tej epoki. Należy zauważyć, że to odniesienie jest nieco ironiczne, biorąc pod uwagę datę jego publikacji w 1952 r. Jako takie, z pewnością odnosi się do zniekształceń „zmęczenia słuchu”, powszechnie spotykanych w istniejących konstrukcjach typu lampowego; pierwszy na świecie prototypowy tranzystorowy wzmacniacz hi-fi pojawił się dopiero w 1955 roku.

Wzmacniacze przeciwsobne

przeciwsobny klasy A wytwarza niskie zniekształcenia dla dowolnego poziomu zastosowanego sprzężenia zwrotnego , a także eliminuje strumień w rdzeniach transformatora , więc ta topologia jest często postrzegana przez entuzjastów HIFI-audio i majsterkowiczów jako ostateczna inżynieryjne podejście do lampowego wzmacniacza Hi-Fi do użytku z normalnymi głośnikami . Moc wyjściową dochodzącą do 15 watów można uzyskać nawet z klasycznymi lampami, takimi jak 2A3 lub 18 watów z typu 45. Klasyczne pentody, takie jak EL34 i KT88, mogą uzyskać odpowiednio aż 60 i 100 watów. Specjalne typy, takie jak V1505, mogą być używane w projektach o mocy do 1100 watów. Zobacz „An Approach to Audio Frequency Amplifier Design”, zbiór projektów referencyjnych pierwotnie opublikowanych przez GEC

Wzmacniacze z pojedynczą triodą (SET).

Wzmacniacze SET wykazują słabe pomiary zniekształceń przy obciążeniu rezystancyjnym, mają niską moc wyjściową, są nieefektywne, mają słabe współczynniki tłumienia i wysokie mierzone zniekształcenia harmoniczne. Ale nieco lepiej radzą sobie w odpowiedzi dynamicznej i impulsowej.

Trioda, mimo że jest najstarszym urządzeniem do wzmacniania sygnału, może również (w zależności od danego urządzenia) mieć bardziej liniową charakterystykę przenoszenia bez sprzężenia zwrotnego niż bardziej zaawansowane urządzenia, takie jak tetrody wiązki i pentody.

Wszystkie wzmacniacze, niezależnie od klasy, komponentów czy topologii, mają pewną dozę zniekształceń. To głównie harmoniczne zniekształcenie jest unikalnym wzorem prostych i monotonicznie zanikających serii harmonicznych, zdominowanych przez skromne poziomy drugiej harmonicznej. Rezultat jest podobny do dodania tego samego tonu o oktawę wyżej w przypadku harmonicznych drugiego rzędu i o oktawę plus jedną piątą wyżej w przypadku harmonicznych trzeciego rzędu. Dodany ton harmoniczny ma mniejszą amplitudę, około 1–5% lub mniej we wzmacniaczu bez sprzężenia zwrotnego przy pełnej mocy i szybko maleje przy niższych poziomach wyjściowych. Hipotetycznie, zniekształcenia drugiej harmonicznej wzmacniacza mocy single-ended mogłyby zredukować podobne zniekształcenia harmoniczne w głośniku z jednym przetwornikiem, gdyby ich zniekształcenia harmoniczne były równe, a wzmacniacz był podłączony do głośnika tak, aby zniekształcenia wzajemnie się neutralizowały.

SETy zwykle wytwarzają tylko około 2 watów (W) dla wzmacniacza lampowego 2A3 do 8 W dla 300B do praktycznego maksimum 40 W dla wzmacniacza lampowego 805. Wynikowy poziom ciśnienia akustycznego zależy od czułości głośnika oraz wielkości i akustyki pomieszczenia, a także mocy wyjściowej wzmacniacza. Ich niska moc czyni je również idealnymi do stosowania jako przedwzmacniacze . Wzmacniacze SET mają pobór mocy co najmniej 8 razy większy od podanej mocy stereo. Na przykład zestaw stereo o mocy 10 W zużywa co najmniej 80 W, a zwykle 100 W.

Single-ended wzmacniacze pentodowe i tetrodowe

Cechą szczególną wśród tetrod i pentod jest możliwość uzyskania ultraliniowości lub praca z rozproszonym obciążeniem z odpowiednim transformatorem wyjściowym. W praktyce, oprócz obciążenia zacisku płytki, obciążenie rozproszone (którego specyficzną postacią jest obwód ultraliniowy) rozkłada obciążenie również na zaciski katody i ekranu lampy. Ultra-liniowe połączenie i rozproszone obciążenie są zasadniczo metodami z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, które umożliwiają mniejsze zniekształcenia harmoniczne wraz z innymi cechami związanymi z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Topologia ultraliniowa była najczęściej kojarzona z obwodami wzmacniaczy w oparciu o badania D. Haflera i H. Keroesa z Dynaco. Ładowanie rozproszone (ogólnie iw różnych formach) zostało zastosowane przez firmy takie jak McIntosh i Audio Research.

Klasa A.B

Większość nowoczesnych komercyjnych projektów wzmacniaczy Hi-Fi do niedawna wykorzystywała topologię klasy AB (z mniej lub bardziej czystymi niskimi poziomami klasy A, w zależności od zastosowanego stałego prądu polaryzacji), aby zapewnić większą moc i wydajność , zazwyczaj 12–25 watów i więcej. Współczesne projekty zwykle zawierają przynajmniej kilka negatywnych opinii . Jednak topologia klasy D (która jest znacznie bardziej wydajna niż klasa B) jest coraz częściej stosowana tam, gdzie tradycyjny projekt wykorzystywałby klasę AB ze względu na jej zalety zarówno pod względem masy, jak i wydajności.

Topologia przeciwsobna klasy AB jest prawie powszechnie stosowana we wzmacniaczach lampowych do zastosowań w gitarach elektrycznych, które wytwarzają moc większą niż około 10 watów.

Zamierzone zniekształcenie

Dźwięk lampowy ze wzmacniaczy tranzystorowych

Niektóre indywidualne cechy dźwięku lampowego, takie jak kształtowanie fali przy przesterowaniu, można łatwo wytworzyć w obwodzie tranzystorowym lub filtrze cyfrowym . Aby uzyskać pełniejsze symulacje, inżynierom udało się opracować wzmacniacze tranzystorowe, które wytwarzają dźwięk o jakości bardzo zbliżonej do dźwięku lampowego. Zwykle wiąże się to z wykorzystaniem topologii obwodów podobnej do stosowanej we wzmacniaczach lampowych.

Niedawno badacz wprowadził metodę wtrysku harmonicznych w cyklu asymetrycznym (ACHI) w celu emulacji dźwięku lampowego za pomocą tranzystorów.

Wykorzystując nowoczesne komponenty pasywne i nowoczesne źródła, czy to cyfrowe, czy analogowe, oraz głośniki szerokopasmowe , możliwe jest posiadanie wzmacniaczy lampowych o charakterystycznym szerokim paśmie przenoszenia nowoczesnych wzmacniaczy tranzystorowych, w tym z wykorzystaniem układów przeciwsobnych, klasy AB i sprzężenia zwrotnego. Niektórzy entuzjaści, tacy jak Nelson Pass , zbudowali wzmacniacze wykorzystujące tranzystory i tranzystory MOSFET pracujące w klasie A, w tym single-ended, i te często mają „lampowe brzmienie”.

Wzmacniacze hybrydowe

Lampy są często używane do nadania wzmacniaczom półprzewodnikowym cech, które wielu ludzi uważa za słyszalnie przyjemne, takich jak Nuvistors, maleńkie triody firmy Musical Fidelity , do sterowania dużymi tranzystorami bipolarnymi we wzmacniaczu mocy NuVista 300. W Ameryce firmy Moscode i Studio Electric stosują tę metodę, ale do zasilania wykorzystują tranzystory MOSFET, a nie bipolarne. Włoska firma Pathos opracowała całą linię wzmacniaczy hybrydowych.

Aby zademonstrować jeden aspekt tego efektu, można użyć żarówki w pętli sprzężenia zwrotnego obwodu sprzężenia zwrotnego o nieskończonym wzmocnieniu (IGMF). Powolna reakcja rezystancji żarówki (która zmienia się w zależności od temperatury) może być zatem wykorzystana do złagodzenia dźwięku i uzyskania lampowego „miękkiego ograniczenia” mocy wyjściowej, chociaż inne aspekty „dźwięku lampy” nie zostałyby powielone w tym ćwiczeniu.

Bezpośrednio żarzone triody

Zobacz też

Notatki

Barbor, Eryk. Fajny dźwięk lamp w IEEE Spectrum Online .
Hamm, Russell O. (14 września 1972). „Lampy a tranzystory: czy jest słyszalna różnica?” . Zaprezentowany na 43. zjeździe Audio Engineering Society w Nowym Jorku.
Reich, George. Naukowcy kontra audiofile 1999 w Stereophile , marzec 1999.
Archiwum danych lamp — Ogromny zbiór (wiele gigabajtów) zeskanowanych oryginalnych arkuszy danych lamp i informacji technicznych.