Универсальная блок-схема усилителя и основные характеристики

Любой усилитель можно представить в виде двух основных блоков: усилителя напряжения и буфера тока.

С точки зрения логики взаимосвязи параметров важен порядок последовательности блоков на схеме. Блок-схема описывает лишь взаимосвязь параметров и не является аналогом схемотехники усилителя.

Блок усилителя напряжения

Блок усилителя напряжения отвечает за регулировку конечной громкости в наушниках. Усилитель обычно расположен между источником с определенным уровнем напряжения на выходе и наушниками с постоянной чувствительностью к напряжению. С помощью усилителя мы согласовываем громкость от источника к наушникам.

Например, у источника уровень сигнала на выходе равен 6 dBV (2 В_RMS), чувствительность наушников равна 110 дБ/В SPL, а слушать музыку мы хотим с уровнем 80 дБ SPL. От усилителя нам нужен уровень "усиления" в -36 дБ.

Так как блока на схеме три, то каждый из них имеет свой уровень усиления и конечное значение изменения уровня складывается из трех блоков.

Максимальный уровень усиления обеспечивает второй блок. Первый блок отвечает за плавную регулировку громкости непосредственно пользователем от минимального до максимального значения второго блока. Третий блок обычно ослабляет сигнал в зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя и сопротивления наушников.

Блок - регулятор громкости

С помощью первого блока производится регулировка громкости от минимального до максимального уровня усиления.

В идеале у этого блока уровень усиления должен находится в диапазоне от -∞ до 0 дБ.

В реальности аналоговые регуляторы обычно не понижают уровень до полной тишины, а цифровые и дискретные регуляторы относительно плавно понижают сигнал до какого-то определенного уровня и после устройство переходит в режим полного отключения сигнала на входе. Для дискретных регуляторов обычно приводят такие параметры, как шаг регулировки и диапазон регулировки. Например - шаг 1 дБ, диапазон 48 дБ (или ослабление до -48 дБ).

В RAA на данный момент к усилителям приводится комбинированная характеристика в виде оптимальной регулировки громкости.

Блок - фиксированное максимальное усиление

Блок фиксированного усиления по своей сути является основной усилителя напряжения. При выставлении максимального уровня громкости в первом блоке мы получаем максимально возможный уровень усиления.

В характеристиках на усилитель для этого блока обычно приводится две характеристики, это уровень усиления и максимальный уровень напряжения.

Коэффициент усиления / уровень усиления

Усиление может приводится через уровень изменения в децибелах или через коэффициент отношения напряжений.

При выражении отношения напряжений в виде коэффициента, значение не имеет размерности. Например, при КУ равном 5, если с источника на усилитель был подан сигнал с уровнем напряжения в 1 В_RMS, то на выходе усилителя напряжение станет равным 5 В_RMS. Если на вход подано 0.5 В_RMS, то на выходе будет 2.5 В_RMS.

Так как мы воспринимаем изменение уровня звука кратно, а не линейно, то считать соотношения уровней через деление и умножение довольно сложно (когда значения не целые, вроде КУ=1.37, входной уровень 0.83 В_RMS и тут в уме не так просто быстро получить значение 1.137 В_RMS). В качестве удачного решения уровни сигналов переводятся в децибелы, где кратное изменение уровня считается через сложение и вычитание. Такой подход прочно укоренился в профессиональном аудио. Постепенно это проникает и в персональное аудио.

Если уровень усиления равен 14 дБ, то при подаче на вход усилителя уровня напряжения -10 dBV после усилителя напряжение изменится до 4 dBV (-10 dBV + 14 дБ).

Перевести значение КУ в уровень усиления (Gain) можно в калькуляторе отношений напряжения. Сами напряжения из В_RMS в dBV и наоборот можно перевести в другом калькуляторе .

У усилителей часто встречается переключение режимов, которые могут обозначаться как Low, Mid и Hi. Каждый из этих режимов переключает коэффициент усиления для второго блока. Подробнее особенности этих режимов разобраны отдельно.

Характеристика максимального напряжения

У любого усилителя есть ограничение по конечному выходному напряжению, которое выражается через выходное напряжение без нагрузки.

Например, максимальное выходное значение равно 3 В_RMS, а КУ равен 4. Если подать на усилитель напряжение в 0.5 В_RMS, то на выходе усилителя будет 4x0.5 В_RMS = 2 В_RMS и это значение будет ниже максимально допустимого. Усилитель будет работать штатно. Если на усилитель подать напряжение в 2 В_RMS, то на выходе должно получится напряжение как 4x2 В_RMS = 8 В_RMS, и оно превышает максимальное значение 3 В_RMS. А это значит, что усилитель будет давать сильные искажения от клиппирования.

Если выходное напряжение и усиление (Gain) выражены в децибелах как 9 dBV и 12 дБ, то математика расчетов выглядит так: при подаче напряжения -6 dBV на вход оно будет изменено на +12 дБ и на выходе усилителя будет напряжение 6 dBV, и это значение ниже предела 9 dBV на 3 дБ. Если подать уровень сигнала в 6 dBV на усилитель, то уровень сигнала будет меняться до 6 dBV + 12 дБ и будет равно 18 dBV, что будет превышать уровень 9 dBV на 9 дБ. Соответственно усилитель будет работать нештатно на этом уровне громкости.

У усилителя с ЦАП в одном устройстве без линейного входа значение коэффициента является абстрактным значением. В большинстве случаев, максимальный уровень напряжения является значением, которое соответствует максимально выставленному уровню громкости. Технически оно может быть существенно выше, но физически большую громкость в устройстве невозможно.

У некоторых комбайнов уровень усиления от собственного ЦАП является более высоким, чем допустимый максимальный уровень до клиппирования усилителя. В RAA для этого введено значение уровня напряжения для уровня 0 dBFS. Это значение важно для определения референсного уровня громкости или выбора максимально громкого комбайна для изначально очень тихих записей.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление усилителя ослабляет максимальный уровень напряжения на выходе блока фиксированного усиления. Уровень ослабления зависит от величины выходного сопротивления усилителя и величины сопротивления наушников. Чем ниже сопротивление наушников и выше выходное сопротивление усилителя, тем ослабление будет выше. Для наушников и усилителей с неравномерным импедансом характерно измерение АЧХ в связках.



Универсальный график, разработанный в RAA, показывает зависимость уровня напряжения на выходе усилителя от подключенных наушников. По горизонтали отображаются значения сопротивления наушников, а по вертикали - уровни напряжения от усилителей.

Напряжение на графике показывается в двух размерностях. Слева в В_RMS, а справа в децибелах dBV. Шаг сетки по умолчанию равен 6 дБ, что кратно удвоению громкости.

В примере показано четыре усилителя с одинаковым уровнем максимального напряжения без нагрузки (наушников) в 6 dBV, но разным выходным сопротивлением от 0 до 300 Ом. Маркером показаны напряжения от усилителей на сопротивлении наушников в 32 Ом.

У усилителя с нулевым сопротивлением значение напряжения не зависит от значения сопротивления подключаемых наушников и на 32 Ом оно равно 6 dBV. Для усилителя с выходным сопротивлением в 300 Ом уменьшение напряжения наибольшее и на 32 Ом оно составляет -14.3 dBV. А это значит, что если мы возьмем определенные наушники с сопротивлением в 32 Ом, выставим в усилителях одинаковую громкость без подключенных наушников, то после подключения наушников усилитель с выходным сопротивлением в 300 Ом будет тише на 20.3 дБ усилителя с нулевым сопротивлением. При этом, если мы подключим к этим усилителям высокоомные наушники, то разница в громкости будет значительно меньше.

У наушников есть параметр чувствительности к напряжению. Для расчета конечной громкости связки из усилителя и наушников надо просто сложить значение чувствительности наушников и напряжения на выходе усилителя, выраженного в dBV.

Здесь в примере на основе сервиса сравнения звукового давления связок из усилителей и наушников было взято два усилителя и несколько наушников с близкой чувствительностью и разным сопротивлением от 30 до 300 Ом.

Для усилителей был выставлен одинаковый уровень напряжения в 6 dBV без подключенных наушников. В столбцах уровень регулятора громкости обозначен последней строкой как -2.3 dBFS для Creative SXFI AMP и -22.6 dBFS для Cayin HA-1AMK2.

SXFi обладает нулевым сопротивлением и значение максимального напряжения под нагрузкой в каждом столбце одинаковое, как 8.3 dBV до регулировки громкости на -2.3 дБ до уровня 6 dBV. В верхней строчке указывается чувствительность наушников к напряжению, а итоговое значение звукового давления является суммой трех чисел. Видно, что разница в громкости между связками различается на уровне разницы чувствительности наушников.

Во втором примере с HA-1MK2 ситуация иная. В режиме "for 600 ohm" у усилителя выходное сопротивление равно 200 Ом. Максимальное напряжение в 28.6 dBV уменьшено регулятором громкости на -22.6 дБ до 6 dBV. Для высокоомных наушников ADX5000 с выбранными усилителями SXFi и HA-1MK2 получается одинаковое звуковое давление в 109.1 дБ SPL.

Но для низкоомных наушников ситуация иная. С HA-1MK2 чем ниже сопротивление подключенных наушников, тем максимальное напряжение под нагрузкой меньше и связки звучат тише. Для того, чтоб они звучали на одинаковой громкости, надо индивидуально подстраивать уровень громкости.

Важный момент, связанный с логикой расстановки блоков в схеме. Если у усилителя будет превышено максимальное значение уровня напряжения на участке второго блока, то как бы не понижалось напряжение на участке третьего блока, это понижение будет уже искаженного сигнала.

Буфер тока

Буфер тока не оказывает влияния на суммарный коэффициент усиления и соответственно через регулировку уровня тока нельзя регулировать громкость. В зависимости от выставленного напряжения на выходе усилителя и сопротивления наушников, усилитель должен отдать определенное количество тока. Если отдаваемый уровень тока не превышает максимальный уровень выходного тока, то усилитель работает штатно. Если тока не хватает, то происходит клиппирование сигнала - резкий рост искажений, который мы слышим как "хрип" и "щелчки".



В прошлом примере с усилителями порог тока был высоким и не оказывал на кривые графика своего влияния. В этом примере прошлые усилители показаны штрихованными линиями, а сплошными добавлены аналогичные усилители с более низким порогом тока в 24 дБ(мА). В левой части графика видно, что кривые срезаются прямыми линиями под определенным углом.

Точками показана линия для усилителя, у которого очень высокое выходное напряжение, то ток ограничен в 24 дБ(мА). Так5им образом, на этом графике эта линия показывает порог в 24 дБ(мА), пересчитанного в напряжение от подключенных наушников.

Если на усилителе выставить уровень, который будет превышать "срез", то усилитель будет работать "громко", но "некачественно". Если пороги определены по уровню клипирования, то это будут слышимые хрипы и щелчки.

У усилителей с высоким выходным сопротивлением в сторону низкоомных нагрузок уровень напряжения снижается и может быть ситуация, что превышение порога по току просто невозможно.

В примере у усилителей с 0 и 30 Ом есть явный срез. У усилителя с выходным сопротивлением в 100 срез незначительный и начинается лишь для наушников с сопротивлением ниже 20 Ом. А вот у усилителя с сопротивлением в 300 Ом напряжение понижается более значительно и график никогда не будет "срезан".



Если график выразить не через напряжение, а ток, то ограничение по току будет выглядеть горизонтальными линиями.

Оценка совместимости наушников с усилителем по характеристикам

Самые простые инструменты для взаимосвязи громкости связок из наушников и усилителей: напряжение и чувствительность и звуковое давление в связке.

Оба сервиса выше показывают совместимость нескольких наушников с плеером Astell&Kern AK70 с балансного выхода. Первый сервис показывает пороговые напряжения для усилителя и уровни напряжений для наушников для получения определенного уровня громкости. Второй сервис показывает максимально возможные уровни звукового давления для каждой из связок.

Эти сервисы являются самыми эффективными для оценки громкости связок из наушников и усилителей.