Линейный выход с технической точки зрения
Все подключаемые устройства (наушники, усилители, АС) обладают определенным входным сопротивлением. Подключаемое устройство обычно обозначается как "нагрузка" по отношению к "источнику" (ЦАП-у, смартфону, магнитофону, усилителю и т.п.).У усилителей, эквалайзеров, предусилителей, активных наушников и активных АС входное сопротивление высокое, от 1 кОм и выше (до 100 кОм). При подключении к источнику эти устройства потребляют малое количество тока. В калькуляторе
можно наглядно посмотреть значения тока, подставляя разное значение нагрузки для стандартного уровня напряжения от линейного выхода в 2 ВRMS.
Наушники и АС обладают наоборот низким сопротивлением (от 4 до 600 Ом) и при подключении к выходу источника потребляют значительный ток. Если усилитель с входным сопротивлением в 10 кОм будет потреблять 0.2 мА, то наушники с сопротивлением 16 Ом будут потреблять уже 125 мА.
На графике показан потребляемый уровень тока нагрузкой от источника. По горизонтальной оси - сопротивление подключаемой нагрузки к источнику, от 4 Ом до 10 кОм. По вертикали - значение тока при амплитуде сигнала с напряжением 2 ВRMS (6 dBV). Слева значения тока выражены в амперах, справа с децибелах - дБ(мА), где за 0 дБ(мА) взят 1 мА.
Соответственно у устройств выходы делятся на "линейные" с предположительно малым выходным током для высокоомных устройств и "мощные" с обязательным условно "большим" выходным током для низкоомных устройств.
В русском языке есть устоявшиеся названия в виде "линейный выход", "микрофонный вход" и "микрофонный усилитель". И хотя словосочетания "мощный выход", "наушниковый выход", "наушниковый усилитель", "колоночный усилитель" не противоречат правилам русского языка (прилагательное + существительное), они воспринимаются как корявый "гугл-перевод", т.к. устоявшимися фразами являются варианты "усилитель мощности", "усилитель для наушников", "усилитель для колонок/АС" через именительный/родительный падеж. Устоявшихся словосочетаний "мощный выход" или "выход мощности" нет, т.к. все выходы, кроме линейного, выражаются исключительно через название подключаемого устройства в виде наушников или колонок. В этом материале будет использоваться словосочетание "мощный выход" для смыслового сопоставления с линейным выходом с позиции разных требований для выходного тока.
Т.к. принципиальная разница между "линейным" и "мощным" выходом в плане обратной совместимости заключается в наличии или отсутствии запаса выходного тока, то любой "мощный" выход для наушников или АС может использоваться как линейный.
Таким образом есть обратная совместимость от "мощного" выхода к "линейному".
Второе отличие линейного выхода от "мощного" менее принципиально с технической точки зрения, но важно с функциональной стороны. Уровень напряжения для линейного выхода стандартизирован и именно под этот уровень подстраиваются все коммутируемые устройства. Максимальный уровень напряжения "мощных" выходов оптимизируется для конкретных АС или наушников, и его уровень может быть как близок к стандартному линейному уровню, так и наоборот далек.
Изначально стандартным уровнем для бытовых устройств было значение -10 dBV (0.3 ВRMS). Но постепенно этот уровень был повышен и сегодня самым распространенным стандартом де-факто является уровень 6 dBV (2 ВRMS). Постепенно начинают появляться устройства с уровнями до 14 dBV (5 ВRMS).
Таким образом, если последовательно подключать несколько устройств, выпущенные в одну "эпоху": CD проигрыватель, эквалайзер, рекордер, предусилитель, усилитель мощности и т.п., то при выставлении уровня громкости на максимум в каждом компоненте не приводит к клиппированию аудио-сигнала на входе последующего компонента. Таким образом, пользователю не нужно делать отдельное согласование уровней между компонентами. А производителям в свою очередь не надо и закладывать функционал для подстройки уровней, и линейные выходы и входы часто являются нерегулируемыми.
О подстройке нужно заботится только для компонентов разных эпох, где к примеру у современного ЦАП на выходе уровень напряжения 6 dBV (2 ВRMS), а у эквалайзера максимальный входной уровень -10 dBV (0.3 ВRMS) и для него требуется понижение уровня сигнала с ЦАП на 16 дБ, иначе звук будет "похрипывать" от перегруза. Или наоборот, при подключении магнитофона к современной звуковой карте для оцифровки, получить тихую запись под -16 дБ. В этом случае между компонентами необходимо добавлять предусилители, которые будут заниматься понижением или увеличением аудио-сигнала.
В студиях настройка уровней между компонентами требуется на порядок чаще и там для большинства устройств указываются значения чувствительности входов и выходов сразу в децибелах (dBu - где 0 dBu равен 0.775 ВRMS) и это позволяет легко и просто настраивать уровни. Для бытовой техники напряжение выражается в dBV, где 0 dBV равен 1 ВRMS. Так как согласование межблочных компонентов для бытовой техники требуется редко, то и значения в dBV зачастую невостребованы.
Для низкоомных наушников стандартного уровня напряжения в 6 dBV от линейного выхода хватает с запасом. Такой выход часто делают универсальным, и он может работать как в качестве линейного, так и в качестве маломощного усилителя для наушников. В плеерах можно встретить настройки "режим линейного выхода", что обычно влияет лишь на предустановленный фиксированный уровень громкости. В редких случаях реализуются дополнительное отключение буфера тока.
Обвязкой ЦАП в плеере является усилитель напряжения, а усилителем для наушников - буфер тока
Если выходы сделаны раздельно (линейного и усилителя), а уровень громкости одинаков, то разница заключается в том, что линейный выход находится после обвязки ЦАП и не имеет дополнительного токового буфера, а после, последовательно находится токовый буфер и выход на наушники получает более высокий порог выходного тока.
Линейный выход до буфера тока разумно делать по двум причинам.
- После дополнительного буфера, как лишнего звена, качество сигнала лучше не становится.
- При неподключенном устройстве к выходу для наушников можно отключить буфер от питания и снизить общее энергопотребление.
Выходной уровень тока для линейного выхода не стандартизирован и в каких-то случаях уже подключение высокоомных наушников от 300 Ом может вызывать токовые искажения, а в каких-то отлично работать с наушниками 32 Ом на полную громкость. У часто применяемых ОУ в обвязке ЦАП (таких как NJM4580, NE5532, OPA2132) и т.п. выходной ток находится на уровне от 20 до 50 мА. Уровень "достаточности" можно оценить следующим образом.
Надо просто выявить необходимый ток для наушников, зная их чувствительность и сопротивление для своего комфортного уровня громкости.
- Рассчитываем необходимый уровень напряжения. Если мы хотим слушать музыку на уровне громкости в 90 дБ SPL, а чувствительность наушников равна 120 дБ/В SPL, то от источника нам нужен уровень в -30 dBV (90 дБ SPL - 120 дБ/В SPL). Т.е. из желаемого нам уровня звукового давления отнимаем значение чувствительности к напряжению.
- Рассчитываем ток. В калькуляторе подставляем значения напряжения в dBV и сопротивление наушников. В примере при сопротивлении наушников в 16 Ом будет потребление тока на уровне 2 мА.
Альтернативный способ - если на выходе используются известный ОУ, например NJM4580 с выходным уровнем в 50 мА, то не будет искажений при выходном напряжении до -2 dBV. А это дает звуковое давление как сумму напряжения и чувствительности: 120 дБ/В SPL -2 dBV = 118 дБ SPL.
Какое минимальное сопротивление наушников допустимо для линейного выхода?
Определение минимального допустимого сопротивления для линейного выхода зависит от условий громкости прослушивания. Обычно рассматривается два варианта - максимальный уровень и комфортный.Максимальный уровень громкости
Чистое звучание при выставлении максимального уровня громкости. Здесь предполагается, что при выставлении уровня громкости на 100% (или 0 dBFS) со стороны линейного выхода не будет клиппирования из-за недостатка тока. Еще это условие может рассматриваться с точки зрения безопасности использования, вдруг при высокой нагрузке по току линейный выход будет настолько перегружен, что выйдет из строя?
В примере два варианта линейного выхода, оба имеют ограничение по току в 40 мА. Левый график показывает максимальное выходное напряжение в зависимости от сопротивления наушников. Правый график показывает уровень выходного тока. Линейные выходы в примере различаются выходным сопротивлением, у одного оно равно 20 Ом, у другого 300 Ом.
Из-за выходного сопротивления уровень напряжения снижается в области низкоомной нагрузки и график выглядит убывающей кривой. На графике напряжения для линейного выхода с сопротивлением 20 Ом видно, что кривая сперва плавно убывает, а потом превращается в прямую наклонную линию. На графике тока при том же сопротивлении наушников эта линия является горизонтальной и соответствует 50 мА. Такой "перелом" показывает, что при дальнейшем уменьшении сопротивления наушников происходит превышение допустимого тока и соответственно, в данном примере для выхода с сопротивлением 20 Ом и выходным током в 40 мА минимально допустимым сопротивлением наушников является сопротивление около 32 Ом.
У второго линейного выхода сопротивление равно 300 Ом и из-за него напряжение снижается более сильно в области низкоомных нагрузок. И оно настолько велико, что на графике тока линия становится практически горизонтальной уже около 7 мА и не поднимается выше. Т.е., если подключить наушники с сопротивлением менее 1 Ом (устроить ему короткое замыкание), то от выхода не потребуется тока больше, чем искомые 7 мА. А при запасе в 50 мА со стороны ОУ мы получаем ситуацию, что к этому выходу можно подключать наушники с абсолютно любым сопротивлением. Единственное, низкоомные наушники от этого выхода будут скорее всего тихо играть, но точно не будет никаких искажений от клиппирования и опасности "сжечь" выход.
Высокое выходное сопротивление у линейного выхода зачастую является обычной защитой от короткого замыкания.
Из-за выходного сопротивления уровень напряжения снижается в области низкоомной нагрузки и график выглядит убывающей кривой. На графике напряжения для линейного выхода с сопротивлением 20 Ом видно, что кривая сперва плавно убывает, а потом превращается в прямую наклонную линию. На графике тока при том же сопротивлении наушников эта линия является горизонтальной и соответствует 50 мА. Такой "перелом" показывает, что при дальнейшем уменьшении сопротивления наушников происходит превышение допустимого тока и соответственно, в данном примере для выхода с сопротивлением 20 Ом и выходным током в 40 мА минимально допустимым сопротивлением наушников является сопротивление около 32 Ом.
У второго линейного выхода сопротивление равно 300 Ом и из-за него напряжение снижается более сильно в области низкоомных нагрузок. И оно настолько велико, что на графике тока линия становится практически горизонтальной уже около 7 мА и не поднимается выше. Т.е., если подключить наушники с сопротивлением менее 1 Ом (устроить ему короткое замыкание), то от выхода не потребуется тока больше, чем искомые 7 мА. А при запасе в 50 мА со стороны ОУ мы получаем ситуацию, что к этому выходу можно подключать наушники с абсолютно любым сопротивлением. Единственное, низкоомные наушники от этого выхода будут скорее всего тихо играть, но точно не будет никаких искажений от клиппирования и опасности "сжечь" выход.
Высокое выходное сопротивление у линейного выхода зачастую является обычной защитой от короткого замыкания.
Комфортный уровень громкости
Может быть и такая ситуация, по максимальной громкости допустимо подключить наушники с сопротивлением около 200 Ом, а у владельца наушники 18 Ом и желание их слушать на средней, а не максимальной громкости. Можно ли?
Выше через калькулятор уже был способ оценки по отношению к звуковому давлению, а здесь более наглядное описание с другого ракурса - значения уровня громкости от максимума.
В примере два варианта линейного выхода, оба имеют выходное сопротивление в 10 Ом, но разный порог выходного тока. Левый график показывает максимальное выходное напряжение в зависимости от сопротивления наушников. Правый график показывает уровень выходного тока.
Там, где порог в 10 мА, по условиям максимального уровня громкости, точка перехода в клиппирование находится около сопротивления наушников в 200 Ом. Если бы выходной ток был выше, как у второго выхода в 1000 мА, то можно было бы подключить наушники с сопротивлением 10 Ом или ниже. В условиях нашей задачи, у пользователя есть наушники с сопротивленим в 18 Ом.
Если мы посмотрим на разницу кривых напряжений на 18 Ом, то увидим, что у выхода с ограничением в 10 мА, линия пересекает 18 Ом на уровне -15 dBV. Т.е. от максимального уровня в 2 dBV на 18 Ом, этот уровень ниже на 17 дБ.
Таким образом, если комфортный уровень громкости не будет превышать уровень в -17 dBFS, то наушники с сопротивлением в 18 Ом можно спокойно слушать.
Как видно из примера, минимальное сопротивление наушников зависит двух параметров: чувствительности наушников и уровня комфортной громкости. Максимальный допустимый уровень громкости (как в примере -17 dBFS) имеет смысл высчитывать для безопасности, чтоб не перегрузить и не испортить линейный выход.
В примере два варианта линейного выхода, оба имеют выходное сопротивление в 10 Ом, но разный порог выходного тока. Левый график показывает максимальное выходное напряжение в зависимости от сопротивления наушников. Правый график показывает уровень выходного тока.
Там, где порог в 10 мА, по условиям максимального уровня громкости, точка перехода в клиппирование находится около сопротивления наушников в 200 Ом. Если бы выходной ток был выше, как у второго выхода в 1000 мА, то можно было бы подключить наушники с сопротивлением 10 Ом или ниже. В условиях нашей задачи, у пользователя есть наушники с сопротивленим в 18 Ом.
Если мы посмотрим на разницу кривых напряжений на 18 Ом, то увидим, что у выхода с ограничением в 10 мА, линия пересекает 18 Ом на уровне -15 dBV. Т.е. от максимального уровня в 2 dBV на 18 Ом, этот уровень ниже на 17 дБ.
Таким образом, если комфортный уровень громкости не будет превышать уровень в -17 dBFS, то наушники с сопротивлением в 18 Ом можно спокойно слушать.
Как видно из примера, минимальное сопротивление наушников зависит двух параметров: чувствительности наушников и уровня комфортной громкости. Максимальный допустимый уровень громкости (как в примере -17 dBFS) имеет смысл высчитывать для безопасности, чтоб не перегрузить и не испортить линейный выход.
Изменение АЧХ
Из графиков выше видно, что уровень напряжения на выходе зависит от выходного сопротивления источника. У некоторых наушников сопротивление непостоянно по частоте и конечная АЧХ "просаживается" неравномерно.В этом примере показаны многодрайверные наушники с неравномерным импедансом. Слева на графике можно видеть "просаживание" АЧХ в условиях, что у источников выставлен одинаковый уровень сигнала на выходе без подключенных наушников, а при подключенных наушниках уровень сигнала просаживается. Справа же уровни со стороны источников уменьшены так, чтоб общий уровень у всех связок получился одинаковым и различие было лишь на участках неравномерного импеданса у наушников.
У полноразмерных динамических наушников часто есть подъем на импедансе в области низких частот. Слева видно, что этот участок "просаживается" в меньшей степени. Справа же мы получаем ситуацию, когда кажется, что с выходом с максимальным сопротивлением низкие частоты привались, словно эквалайзером.
Подъем в области низких частот не только является следствием подъема на АЧХ, но и более худшим демпфированием наушников, когда на этих частотах звук затухает как короткое эхо, ухудшая артикуляцию баса, делая звук более "ватным". К сожалению, когда есть сразу два дополнительных изменения в звуке, то одно изменение часто воспринимается за другое. Когда кто-то утверждает, что наушники с высокоомным усилителем бубнят и вяло звучат из-за плохого демпфирования, то это может означать, что дело вовсе не в недостаточном демпфировании, а лишь в локальном подъеме низких частот.
При использовании однополярного питания иногда реализуют выход через последовательный конденсатор. В этом случае импеданс представляет собой кривую, которая уходит вверх в левой части (в области низкоомных нагрузок). Эта линия на графике в примере выше пунктирная.
При подключении наушников АЧХ "проседает" лишь в области низких частот и чем сопротивление ниже, тем низких частот получается меньше. Когда такой выход используется как линейный, и к нему подключается устройство высоомным входом, то снижения низких частот практически нет.
Если выход нерегулируемый, то при подключении наушников или АС уровень громкости будет постоянным. При активации настройки "линейный выход" в плеерах часто появляется предупреждение, что если подключены наушники, то они могут выдать очень громкий звук или вообще быть повреждены (что возможно для внутриканальных наушников). В этом случае для регулироки нужен отдельный пассивный регулятор громкости.
Подъем в области низких частот не только является следствием подъема на АЧХ, но и более худшим демпфированием наушников, когда на этих частотах звук затухает как короткое эхо, ухудшая артикуляцию баса, делая звук более "ватным". К сожалению, когда есть сразу два дополнительных изменения в звуке, то одно изменение часто воспринимается за другое. Когда кто-то утверждает, что наушники с высокоомным усилителем бубнят и вяло звучат из-за плохого демпфирования, то это может означать, что дело вовсе не в недостаточном демпфировании, а лишь в локальном подъеме низких частот.
Неравномерный импеданс у линейного выхода
При подключении наушников АЧХ "проседает" лишь в области низких частот и чем сопротивление ниже, тем низких частот получается меньше. Когда такой выход используется как линейный, и к нему подключается устройство высоомным входом, то снижения низких частот практически нет.
Регулируемый и нерегулируемый выход
Линейный выход может быть как регулируемым, так и нерегулируемым. В первом случае уровень громкости у такого выхода можно регулировать. Такой выход выполняет роль предусилителя. Во втором случае уровень громкости фиксированный и регулировка уровня должна быть уже в следующих компонентах тракта. Сегодня де-факто стандартным уровнем для линейного выхода является значение в 2 ВRMS (6 dBV).Если выход нерегулируемый, то при подключении наушников или АС уровень громкости будет постоянным. При активации настройки "линейный выход" в плеерах часто появляется предупреждение, что если подключены наушники, то они могут выдать очень громкий звук или вообще быть повреждены (что возможно для внутриканальных наушников). В этом случае для регулироки нужен отдельный пассивный регулятор громкости.