. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Tranzistorový zvuk a princip vzniku
23. prosince 2010 - 8:00 | Ing. Bohumil Federmann | Tranzistorový zvuk a princip vzniku | Komentářů: 3  

Tranzistorový zvuk a princip vzniku

Účelem přispěvku je poukázat na mnohé, doposud nevyřešené, či často přehlížené problémy v oblasti zpracování zvuku a možnosti jejich řešení za pomocí moderních výpočetních prostředků a počítačové simulace.

Účelem přispěvku je poukázat na mnohé, doposud nevyřešené, či často přehlížené problémy v oblasti zpracování zvuku a možnosti jejich řešení za pomocí moderních výpočetních prostředků a počítačové simulace. Příspěvek vychází z vědecké studie vlastností vnímání zvuku, které byly zadokumentovány v souvislosti s vývojem digitálních standardů "super audio compact disk" (SACD) a "digital versatile disk audio" (DVD-audio). Dále je v příspěvku zúročena autorova mnohaletá osobní praxe, popsána Dynamická saturace diferenciálního stupně s odpovědí na příčiny vzniku "Tranzistorového zvuku", které nebyly doposud nikým publikovány.

Úvod
Odborníci i veřejnost si často kladou otázku, jak je to s infrazvukem a ultrazvukem. Panuje převážně názor, že obě oblasti nás nemusejí zajímat, neboť slyšíme pouze zvuk, který je v akustickém pásmu. Mnozí se pak podivují, že živý koncert skýtá naprosto jedinečný zážitek, kdežto jeho záznam je poněkud ochuzen.

Celá problematika sahá do samotných počátku přenosu, reprodukce a záznamu zvuku. První přístroje byly postaveny na bázi elektronek, později se přidaly první tranzistory, které vedly k integraci a vznikly první integrované části přístrojů. Dlouhou dobu se jednalo o přístroje analogové, které postupně začaly doplňovat a později vytláčet přístroje digitální. Dnes máme signál i přístroje analogové i digitální.

Na problematiku šířky pásma mají jednoznačný názor převážně výrobci zesilovačů, kteří se omezili na akustické pásmo a vše ostatní popírají, stejně jak "Tranzistorový zvuk", který vzniká převážně v oblasti nad akustickým pásmem. Jakékoliv rozšíření přenášeného pásma by výrobcům zesilovačů nabouralo zažité zvyklosti a mohlo přivodit mnohé komplikace, proto je často fakta nezajímají. Výrobci elektronkových zesilovačů naopak zastávají názor, že právě ty jejich zesilovače jsou ty lepší, s tvrzením, že měření zkreslení není tím pravým obrazem kvality zesilovačů.

Jinak je tomu u Hi-Fistů, hudebníků a odborníků z oblasti věd lékařských, kteří nejenom slyší a vnímají odlišnosti akustického vjemu při přítomnosti infrazvuku a ultrazvuku, ale jsou schopni jeho vliv změřit a zadokumentovat. Zde byly při vývoji SACD a DVD-audia provedeny rozsáhlé studie pod vedením T. Ooahashiho.

V německém Deutsches Institut für Normung (DIN) v roce 1973 vytvořili celosvětový standard, normu DIN 45500 pro Hi-Fi, která nikterak nepostihovala "Tranzistorový zvuk", nebyly metody, jak jej měřit, byli jen zarytí Hi-Fisti, kterým tento zvuk vadil a dodnes vadí. Vznikla řada měřících metod s možností měřit zkreslení, ale žádná metoda nedokázala sjednotit poslechové hodnocení s měřením elektronickými přístroji. Někdy při poslechu nevadí zkreslení jednotky procent a jindy je lidské ucho citlivé k setinám procent. Obecně lze říci, že ucho bývá citlivější na zkreslení vzniklé v polovodičových zesilovačích se silnou zápornou zpětnou vazbou.


Obr. 1: Naměřené hodnoty frekvenčního rozsahu některých hudebních nástrojů

Abych objasnil samotné příčiny vzniku zkreslení, zabývám se v příspěvku chováním diferenciálního stupně v zesilovači se silnou zápornou zpětnou vazbou, jehož vlastnosti lze názorně simulovat pomocí moderních simulačních programů. Pochopení samotné podstaty vzniku nežádoucího zkreslení může pomoci lépe posoudit vlastností zesilovače stejně jako vhodně řešit jeho topologii.

Hudební profesor James Boyk
Hudební profesor James Boyk se dlouhodobě zabýval vyššími harmonickými. Přes omezení na 102,4kHz, které bylo zapříčiněno rozsahem použitých přístrojů, jeho měření dokladují, že v každé skupině hudebních nástrojů je alespoň jeden, který svým frekvenčním rozsahem přesahuje hranici 102,4kHz. U některých nástrojů je výkon nad akustickým pásmem až neskutečný. Největší podíl měly činely se svými 40% či Key jangling (cinkání klíči) se svými 68%.


Obr. 2: Naměřené frekvenční spektrum u trumpety při základním tónu 465,4Hz

Akustický signál a jeho záznam
Analogový záznam
Analogový signál se v počátcích nikterak výrazně při záznamu neupravoval. Na vinylové desky se zaznamenávalo kolik dovolil záznamový materiál a záznamové zařízení. Pro magnetický záznam byl rozhodujícím faktorem vysokofrekvenční předmagnetizační kmitočet, v obou případech se zaznamenávaly kmitočty daleko nad 20kHz. Některé prameny uvádí, že záznam mohl sahat daleko přes 100kHz.

Digitální záznam
Digitální záznam byl prováděn nejčastěji 44kHz a 16bit převodníkem. 16bit záznam umožnil zaznamenat větší dynamiku signálu řádově 90dB oproti cca 60dB, jak tomu bylo u analogových záznamů, ale frekvenční rozsah byl striktně omezen do cca 20kHz!
Omezením frekvenčního pásma na 20kHz byla dočasně vyřešena problematika zpracování signálu nad 20kHz.


Obr. 3: Rozdělení frekvenčního pásma

T. Ooahashiho, vývoj SACD a DVD-audio
Japonský tým T. Ooahashiho, složen z deseti japonských univerzit a výzkumných ústavů (Oohashi, Tsutomu, Emi Nishina, Manabu Honda, Yoshiharu Yonekura, Yoshitaka Fuwamoto, Norie Kawai, Tadao Maekawa, Satoshi Nakamura, Hidenao Fukuyama a Hiroshi Shibasaki), pracoval na vývoji nových digitálních standardů "super audio compact disk" (SACD) a "digital versatile disk audio (DVD-audio), přičemž zkoumal vliv vyšších harmonických na lidské smysly, následně neurologové publikovali výsledky v Journal of Neurophysiology a na konferenci AES v roce 2000.

Zpráva říká, že hudební signál (FRS), kterým byla hudba z ostrova Bali, neboť právě ta má značný podíl vyšších harmonických, byl rozdělen na dvě pásma, do 20kHz (LFC) a nad 20kHz (HFC). Nikdo z posluchačů nebyl schopen samostatně rozpoznat signály nad 20kHz.

Byla zkoumána mozková aktivita na takto rozdělený signál. Výsledek jednoznačně prokázal, že pokud působí na lidské smysly samostatně pásmo nad 20kHz, mozek jej nechává bez povšimnutí, pokud působí samo-statně pásmo do 20kHz EEG, vykazuje jisté elektrické aktivity, které se velmi výrazně zvýší při působení obou frekvenčních pásem.


Obr. 4: EEG, měření mozkové aktivity na jednotlivá pásma

Psychologická měření zcela jednoznačně prokázala, že zvuk obsahující obě pásma vyvolává u posluchačů příjemnější pocity než stejný zvuk bez horního pásma.

Vlastnosti SACD a DVD-audio
Výzkum provedený Japonským týmem T. Ooahashiho vedl k novému standardu SACD a DVD-audio, jejíchž frekvenční rozsah sahá do 100kHz. Převod je prováděn 24bit převodníkem. Dynamický rozsah se tak zvýšil na cca 140dB. Frekvenční rozsah však vrátil část problémů se zpracováním signálu nad 20kHz a audio zesilovače by měly běžně, bez znatelného zkreslení přenést pásmo sahající nad 100kHz.

Walter Jung: OP Amp Audio
Již Walter Jung a mnozí další se zabývali řešením problematiky zesilovačů se silnou zpětnou vazbou. Jejich pozornost byla soustředěna na vstupní diferenciální zesilovač a na jeho dynamickou saturaci. Odvodili velikost vstupního diferenciálního napětí, kdy dochází k dynamické saturaci vstupní diferenciální dvojice tranzistorů.


Obr. 5: Hodnoty vstupního diferenciálního napětí, při proudu 1mA Udif=57mV stanoveno jako limitace

Topologie W. Marshalla Leacha
W. Marshall Leach se věnoval zesilovačům s nízkým zkreslením TIM (transient intermodulation distortion). K dosažení šířky pásma alespoň 400kHz používal tranzistory s FT=8,5MHz, vstupním R-C filtrem upravoval rychlost přeběhu na cca 60V/s a celková šířka pásma byla větší jak 220kHz.
W. Marshall Leach však nikdy nikomu nedoporučoval, aby měřil zesilovač při frekvencích nad 20kHz při plném výkonu. Koncové tranzistory jsou tepelně velmi namáhané a mohlo by dojít k jejich zničení.


Obr. 6: Topologie W. Marshalla Leacha s emitorovými degeneračními odpory

Vymezení rozsahu simulací
Pro účely příspěvku jsem simulaci omezil na pásmo od řádu jednotek Hz až do řádů stovek kHz. Nezabýval jsem se jednotlivými druhy zkreslení jako jsou TIM (transient intermodulation distortion), SID (slew induced distortion) ani DIM (dynamic intermodulation distortion), stejně tak limitací, přechodovým zkreslením a pro koncové tranzistory nebezpečnými příčnými proudy.

Omezil jsem se pouze na zkoumání poměrů vstupního diferenciálního zesilovače, které dostatečně popíší následující simulace:

  1. Frekvenční závislosti zesílení Au dané topologie.
  2. Závislost kolektorových proudů na Udif.
  3. Závislost proudového zesílení na Udif.
  4. Linearita v závislosti na velikosti Udif.

Frekvenční závislosti zesílení Au
Různé topologie tranzistorových zesilovačů včetně integrovaných mají různé charakteristiky závislosti Au na frekvenci, pro všechny však nad jistou mez platí pokles zesílení s rostoucí frekvencí.

Budeme vycházet z maximálního výstupního napětí, například Uef=20V, pak Uš=28V, dle obr. 8 při zesílení cca 70dB na 1kHz. Tomuto odpovídá Udiv=10mV. Při frekvenci 200kHz však zesílení pokleslo na 54dB a pro dosažení stejného výstupního napětí Uš=28V je již zapotřebí Udiv=56mV. Samozřejmě pro odlišné zapojení platí odlišné hodnoty.


Obr. 7: Příklad zapojení zesilovače

Závislost kolektorových proudů na Udif
Chování vstupního diferenciálního zesilovače znázorněného na obr. 10 popisuje dostatečně obr. 11, kde je znázorněna závislost kolektorových proudů na Udiv a jejich první derivace, jež vyjadřují závislost proudového zesílení na Udiv.


Obr. 8: Detail poklesu zesílení


Obr. 9: Závislost zesílení Au na frekvenci

Závislost proudového zesílení vstupních tranzistorů na Udif
Na obr. 11 stejně jak na obr. 5 je patrná závislost kolektorových proudů na Udiv. Walter Jung a W. Marshall Leach považovali za saturaci vstupních tranzistorů, jimiž teče proud 1mA, napětí Udiv =57mV. Na grafech je patrné, že s rostoucím proudem se hranice pro saturaci zvyšuje. První derivace prozrazuje závislost proudového zesílení i jeho pokles v závislosti na velikosti Udiv.


Obr. 10: Zapojení

Dynamická saturace
Vycházíme z akustického signálu, jehož amplituda i frekvence jsou trvale proměnné, obě hodnoty mohou nezávisle na sobě dosahovat maxima.
V případě nejvyšších frekvencí s velkou amplitudou nastane stav, že zesilovač má při dané frekvenci bez zpětné vazby malé zesílení a pro dosažení požadovaného napětí na výstupu potřebuje velké Udiv. V našem případě vyšlo při frekvenci 200kHz a výstupním napětí Uš=28V Udiv=56mV.


Obr. 11: Závislost proudového zesílení na Udif

Jak vyplývá z následujících grafů, můžeme v tomto případě již mluvit o zkreslení, způsobeném saturací obou vstupních tranzistorů.
Saturaci můžeme nazvat "Dynamickou saturací", neboť trvá pouze po čas rychlé napěťové změny akustického signálu, která obsahuje vysoké harmonické.

V praxi jsou většinou vyšší harmonické s menší amplitudou, kterou můžeme při výpočtu a simulaci přiměřeně zohlednit.


Obr. 12: Závislost výstupního proudu na Udif=10mV

Stanovení počátku dynamické saturace
Jak je patrné z obr. 12 a 13, do Udiv=10mV nedochází k viditelné změně tvaru signálu. Na obr. 14 můžeme vidět Udiv=25mV a již počátek dynamické saturace. Pro náš případ je zesílení při 100kHz rovno cca 60dB a tomu odpovídá Udiv=28mV.


Obr. 13: Závislost výstupního proudu na Udif=10mV

Se zvyšováním Udif nad hodnotu 20mV až 30mV při proudu obou tranzistoru po cca 7,5mA již dochází ke změně tvaru výstupního signálu. Při použití menších kolektorových proudů se tato hranice úměrně sníží a naopak. Pro názornost a lepší vyjádření poměrů na vstupní diferenciální dvojici tranzistorů jsem v grafech použil:

  • Modře - vstupní napětí: Hodnota=Udiv
  • Zeleně - vyjádření kolektorového proudu tranzistoru: Hodnota=I1-IC2, hodnota je dále upravena vynásobením *11 tak, aby byla vyjádřitelná ve společném grafu. Je zatížena chybou IB, která je největší v obr. 12. Na obr. 13 je ještě patrná, ale pro demonstrativní účely poměrů diferenciálního stupně nehraje roli.
  • Červeně - zvýraznění tvarového zkreslení, které vzniká při dynamické saturaci. Obdobně, jako se ve statistice počítá kvadratická či střední kvadratická odchylka, jsem použil pro účely přesnějšího stanovení počátku a průběhu Dynamické saturace výraz:

Hodnota je rovněž upravena tak, aby byla vyjádřitelná ve společném grafu, vynásobením *11.


Obr. 14 Závislost výstupního proudu na Udif=25mV

Nárůst zkreslení a počtu lichých harmonických
Zvyšováním Udif nad hranici cca 40mV, velmi rychle dochází ke ztrátě zesílení, u Udiv´=75mV již můžeme pozorovat rychlý nárůst třetí harmonické, čímž získáváme jasnou odpověď na hodnocení tranzistorových zesilovačů hudebníky, že kvinta - třetí harmonická - je u těchto zesilovačů dominantní!


Obr. 15 Závislost výstupního proudu na Udif=75mV


Obr. 16 Závislost výstupního proudu na Udif=150mV

Závěr
Závěrem bych provedl stručné shrnutí.

  • Bez simulačních programů se dnes v elektrotechnice neobejdeme, napomáhají nám nejenom simulovat chování elektrických obvodů, ale i lépe porozumět jejich funkci. Je vhodné pracovat s programy, které jsou "SPICEcompatible", aby byly výsledky vzájemně srovnatelné.
  • Věda a lidské poznání jde dnes za pomocí výpočetní techniky mílovými kroky kupředu, stále však zůstává a vždy bude zůstávat řada zdánlivě jednoduchých nevyřešených problému.
  • Jeden z nevyřešených či nezodpovězených problémů byl i "Tranzistorový zvuk". Sice jsem se omezil pouze na chování diferenciálního stupně, který nejčastěji stojí na vstupu ať již klasického zesilovače, či operačního zesilovače. Právě diferenciální stupeň je pro chování zesilovače se silnou zpětnou vazbou ten rozhodující.
  • Účelem příspěvku nebylo dát definitivní odpověď na danou problematiku, ale ukázat jednu z možných cest, jak zkoumat dané děje, jak se co nejvíce přiblížit dané problematice, porozumět více konkrétnímu zapojení a následně zúročit takto získané poznatky při své další práci.
  • Tímto příspěvkem jsem odpověděl rovněž sám sobě po velmi dlouhé době na otázku chování tranzistorových zesilovačů, na vznik zkreslení, které není jednoduše měřitelné. Tento druh zkreslení se dá považovat za neperiodický a náhodný, na takové rušení je lidský sluch mnohem citlivější, než na zkreslení, které má trvalý a periodický charakter.

Literatura:
[1] James Boyk: There's Life Above 20 Kilohertz! A Survey of Musical Instrument Spectra to 102.4 KHz http://www.cco.caltech.edu/~boyk/spectra/spectra.htm
[2] The Journal of Neurophysiology Vol. 83 No. 6 June 2000, pp. 3548-3558 http://jn.physiology.org/cgi/content/full/83/6/3548
[3] Inaudible High-Frequency Sounds Affect Brain Activity: Hypersonic Effect http://www.arraytherapeutic.com/library/articles/JN83-6-3548.pdf
[4] Walter Jung: OP Amp Audio, Realizing High Performance: Bandwidth Limitations http://waltjung.org/PDFs/WTnT_Op_Amp_Audio_3.pdf
[5] W. Marshall Leach: The Cascode Diff-Amp Input Stage http://users.ece.gatech.edu/~mleach/lowtim/instage.html
[6] CVIČENÍ V MICRO-CAPU http://www.roznovskastredni.cz/biolek/dwnl/Pracovni_sesit_MC9demo.pdf
[7] Micro-Cap http://www.spectrum-soft.com/demo.shtm
[8] Bohumil Federmann: Hi-Fi svět - ISSN 1803-733X http://www.federmann.cz

Autor: Ing. Bohumil Federmann - Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel, Rožnov pod Radhoštěm

Odkazy & Download:
Hi-Fi svět - Web převážně vážně nejen o zesilovačích a počítačích







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (3):

Zobrazit starší 30 dnů (3)...

host
3. Dne 28. 05. 2013 v 19:21 zaslal host
Abrakadabra
Tak nevím. Jako postarší elektronik konstruktér popisu pana Federmana moc nerozumím. Podobný dojem mám i z jeho webových stránek - buď to vysvětlit neumí nebo nechce. Hlavní je asi zanechat dojem.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
TK4100ISO-CARD
ISO karta pro RFID R/O s frekvencí 125kHz ve standardu TK4100
Skladem od 8 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007