Podstawowe własności i parametry wzmacniaczy stereo

Czy to w domowym zaciszu, na koncercie, podczas pracy w studiu czy w samochodzie - wzmacniacz jest jednym z kluczowych elementów każdego systemu stereo. Czym właściwie jest? Najprościej można powiedzieć, że jest to układ elektroniczny, którego zadaniem jest wytworzenie na wyjściu sygnału analogowego będącego wzmocnioną kopią sygnału podanego na wejście. Ale czy to wszystko? Oczywiście, że nie. Mnogość fachowych terminów związanych ze wzmacniaczami może przyprawić o zawrót głowy. Czy wzmacniacz hybrydowy jest lepszy od tranzystorowego? Czym jest współczynnik tłumienia? O co chodzi z tymi klasami? Faktycznie, jest tego sporo, co jednak nie oznacza, że niektórych pojęć nie da się wytłumaczyć w prosty sposób. Z historycznego punktu widzenia, pierwszym elementem umożliwiającym wzmacnianie sygnałów elektrycznych była prosta lampa elektronowa - trioda. Została ona wynaleziona w 1906 roku przez Lee De Foresta i sześć lat później doprowadziła do powstania pierwszych wzmacniaczy lampowych. Tego typu konstrukcje dominowały na rynku aż do lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych ubiegłego wieku. W 1947 roku zaczęły powstawać pierwsze wzmacniacze tranzystorowe.

Poniższe rozważania dotyczą oczywiście nie tylko wzmacniaczy stereo, ale w dużym stopniu także amplitunerów wielokanałowych czy wzmacniaczy monofonicznych stosowanych na przykład w subwooferach aktywnych i głośnikach bezprzewodowych. Mówiąc o "wzmacniaczu", najczęściej mamy jednak na myśli wzmacniacz zintegrowany czyli urządzenie łączące w sobie przedwzmacniacz i końcówkę mocy. W dużym skrócie, przedwzmacniacz to ta część wzmacniacza odpowiadająca za "sterowanie", a więc wybór wejścia, regulację głośności oraz - w zależności od wyposażenia danego modelu - dokonanie dodatkowych regulacji, takich jak ustawienie poziomu niskich i wysokich tonów. Pod powierzchnią, przedwzmacniacz najczęściej bierze na siebie także wstępną filtrację i wzmocnienie napięciowe sygnału. Końcówka mocy, jak sama nazwa wskazuje, zajmuje się ostatecznym wzmocnieniem dostarczonego sygnału. Jej zadaniem jest utworzenie "powiększonej kopii" otrzymanego z przedwzmacniacza sygnału.

Wszystko wydaje się proste, dopóki nie staniemy przed wyborem wzmacniacza i nie zaczniemy studiować dokładnych opisów i tabelek z danymi technicznymi. Temat jest dość trudny, szczególnie dla audiofilów, którzy nie mają wiedzy o układach elektronicznych. O ile odróżnienie podzespołów od siebie nie stanowi większego problemu, to zrozumienie działania układu już tak. Co więcej, niektóre zagadnienia związane ze wzmacniaczami wciąż pozostają przedmiotem sporów. Czy wzmacniacz pracujący w klasie A jest lepszy od tego, który pracuje w klasie AB? Czy brak sprzężenia zwrotnego jest plusem czy minusem? Czy zawsze lepiej jest mieć do dyspozycji większą moc? W opisach na stronach producentów często można natknąć się na te same pojęcia odnoszące się do rodzaju konstrukcji, wydajności i oczywiście jakości wykonania danego modelu. Zacznijmy więc od rozpracowania podstawowych terminów związanych ze wzmacniaczami.

Pytania o zabarwieniu filozoficznym

Wzmacniacz zintegrowany czy dzielony?

Choć pojęcie wzmacniacza kojarzy nam się z jednym urządzeniem, podejście typowo audiofilskie nakazywałoby rozdzielić te komponenty. W wielu systemach klasy hi-end stosuje się właśnie wzmacniacze dzielone, złożone z osobnego przedwzmacniacza i końcówki mocy. Mało tego, w niektórych przypadkach można pójść jeszcze dalej, stosując na przykład dwie końcówki mocy. Jeżeli jedna zasila sekcję basową, a druga - średnio-wysokotonową, mówimy o tak zwanym bi-ampingu (lub tri-ampingu, w przypadku trzech stereofonicznych końcówek mocy). Jeżeli natomiast wykorzystujemy jedną końcówkę mocy do zasilania jednego kanału, mamy do czynienia z monoblokami (monofonicznymi wzmacniaczami mocy). Rozwiązanie to ma swoje niezaprzeczalne plusy. Umieszczenie przedwzmacniacza i końcówki mocy w jednej obudowie to spore wyzwanie dla inżynierów. Każda z tych sekcji ma bowiem inne zapotrzebowanie na prąd i pracuje z sygnałami o innych parametrach. Przedwzmacniacz z tymi "małymi", a końcówka mocy z "dużymi". Obie części mogą więc wzajemnie się zakłócać. Drugą ważną sprawą jest odprowadzenie ciepła z końcówki mocy, aby niepotrzebnie nie nagrzewać układów przedwzmacniacza. Mimo to, wzmacniacz zintegrowany jest rozwiązaniem, które w prawdziwym życiu zobaczymy znacznie częściej. Wspólna obudowa to mniejszy koszt produkcji, a także mniejszy kłopot dla użytkownika. Dlatego większość oferowanych na rynku wzmacniaczy to właśnie integry.

Lampa, tranzystor, hybryda?

Jednym z ważniejszych elementów definiujących kształt, parametry i brzmienie naszego wzmacniacza jest rodzaj podzespołów odpowiedzialnych za sam proces wzmocnienia. Mogą to być lampy elektronowe lub tranzystory. Inne rozwiązania są stosowane znacznie rzadziej, a nawet jeśli mówimy o wzmacniaczach wykorzystujących układy scalone, wciąż są to de facto elementy półprzewodnikowe. Choć historycznie tranzystory wyparły lampy, w świecie miłośników sprzętu grającego dyskusja pozostaje otwarta. Nawet w epoce błyskawicznego postępu technicznego, zawsze znajdą się zarówno zwolennicy wzmacniaczy lampowych, jak i tranzystorowych. Mówi się, że układy lampowe mają duszę, grają cieplej, przyjemniej i bardziej naturalnie. Tranzystory z reguły oferują większą moc i pewniej sterują podłączonymi zestawami głośnikowymi, często dając także lepszy bas i "parę innych rzeczy". Połączeniem obu światów są wzmacniacze hybrydowe, które najczęściej wykorzystują lampy w sekcji przedwzmacniacza i tranzystory w końcówce mocy. Co wybrać? To w zasadzie kwestia gustu, zatem wróćmy do spraw obarczonych mniejszą dawką subiektywizmu.

Podstawowe parametry każdego wzmacniacza

Moc

Pierwszym i najważniejszym jest moc wyrażana w watach (W). O ile jednak na papierze wartość podawana przez producenta wydaje się być stała, w rzeczywistości jest ona uzależniona od kilku czynników, takich jak chociażby impedancja podłączonych kolumn czy liczba wysterowanych kanałów. O oddawanej w danej chwili mocy decyduje też sam użytkownik, poprzez ustawienie odpowiedniego poziomu głośności. Zazwyczaj widzimy więc moc maksymalną, jednak to jeszcze nie wszystko. Należy bowiem zadać pytanie jaka to moc i jak została zmierzona. Producenci wzmacniaczy i amplitunerów najczęściej posługują się tu mocą znamionową. Jest to moc, którą dany układ może oddać bez przekroczenia założonego współczynnika zniekształceń (zwykle jest to 1%). W tabeli danych technicznych możemy zobaczyć także moc muzyczną. Różnica polega na tym, że moc znamionową mierzy się przy dłuższym wysterowaniu wzmacniacza, natomiast moc muzyczna jest mierzona przy wysterowaniu chwilowym. Jeżeli dla tego samego wzmacniacza chcielibyśmy podać obie wartości, moc muzyczna zapewne będzie zauważalnie wyższa od mocy znamionowej. Aby uzyskać jeszcze wyższe wyniki, niektórzy producenci podają także moc RMS (Root Mean Square) zwaną także mocą skuteczną lub PMPO (Peak Momentary Performance Output) określający chwilową moc szczytową. Tutaj mamy już do czynienia z mocą, którą dane urządzenie może wyemitować przez bardzo krótki czas, na przykład milisekundę. Jak można się domyślić, wynik ten będzie wyglądał znacznie lepiej, niż "prawdziwa" moc znamionowa.

Pasmo przenoszenia

Z pozostałymi parametrami wzmacniacza nie powinniśmy już raczej mieć podobnych problemów, choć i tu należy zwrócić uwagę na kilka szczegółów. Wielu użytkowników zwraca uwagę na pasmo przenoszenia czyli przedział częstotliwości, z jakimi poradzi sobie dany model. Przyjmuje się, że ludzki narząd słuchu obejmuje zakres od 20 Hz do 20 kHz, więc takie wymagania stawia się przed wzmacniaczami. Większość nowoczesnych konstrukcji nie powinna mieć z tym większego problemu. Należy jednak zwrócić uwagę na "margines błędu" z jakim wykonano pomiar. Najczęściej pasmo przenoszenia mierzone jest ze spadkiem 3 dB. Oznacza to, że podane częstotliwości graniczne były odtwarzane dwa razy ciszej, niż reszta pasma. Niektórzy podają jednak pasmo przenoszenia ze spadkiem 6 dB lub więcej, a wiele firm w ogóle nie informuje nas o warunkach pomiaru.

Zniekształcenia

W każdym wzmacniaczu istotny jest także współczynnik zawartości harmonicznych THD (Total Harmonic Distortion). To nic innego, jak ogólna wartość "dodatków", jakie dany układ dodaje do oryginalnego sygnału. Podaje się ją w procentach. W większości wzmacniaczy tranzystorowych będziemy mieć do czynienia z ułamkiem procenta, powiedzmy 0,05%, natomiast we wzmacniaczach lampowych współczynnik THD może dochodzić do 1%. Generalnie im niższa liczba, tym lepiej. Warto jednak zaznaczyć, że liczy się nie tylko poziom, ale także rodzaj zniekształceń. Na przykład to, czy będziemy mieli więcej parzystych czy nieparzystych harmonicznych. We wzmacniaczu mogą także powstawać zniekształcenia intermodulacyjne (IMD) lub przejściowe (TIM). Niektórzy producenci podają oddzielnie każdy współczynnik zniekształceń, jednak jest to bardzo rzadka praktyka.

Odstęp sygnału od szumu

SNR (Signal to Noise Ratio) to nic innego, jak różnica między poziomem sygnału wyjściowego a wszystkimi niepożądanymi sygnałami, jakie będą mu towarzyszyły. Najczęściej mówimy tu o szumach i przydźwiękach wytwarzanych podczas pracy wzmacniacza. Stosunek sygnału do szumu można wyrażać na dwa sposoby - jako wartość nieważoną (mierzoną w skali liniowej) lub ważoną (gdzie przy pomiarach wykorzystuje się tak zwane krzywe korekcyjne, wśród których najpopularniejsza jest krzywa A). Odstęp wyraża się najczęściej w decybelach (dB). Im wyższy SNR, tym lepiej.

Separacja kanałów

We wzmacniaczu dwukanałowym prawie zawsze będziemy mieć do czynienia z przesłuchami czyli "przeciekami" dźwięku z jednego kanału do drugiego. Oczywiście jest to zjawisko niepożądane. Pomiaru przesłuchów międzykanałowych dokonuje się zazwyczaj z wykorzystaniem sinusoidalnego tonu o częstotliwości 1 kHz. Jeżeli odtworzymy go tylko w jednym kanale, powinniśmy z łatwością odczytać napięcie uzyskiwane w drugim. Zmierzoną wartość podaje się w decybelach i, podobnie jak w przypadku odstępu sygnału od szumu, im wyższa wartość, tym lepiej.

Czułość i impedancja wejściowa

Czułość (określana też jako znamionowe napięcie wejściowe) to po prostu napięcie na wejściu wzmacniacza, które przy potencjometrze odkręconym na maksimum zapewni nam na wyjściu podawaną przez producenta moc znamionową. Innymi słowy, jest to parametr, który mówi nam o tym jak silny sygnał musimy doprowadzić do wzmacniacza, aby wycisnąć z niego maksymalną moc. Czułość podaje się w woltach (V) i mierzy dla określonej częstotliwości, zazwyczaj 1 kHz. Impedancja wejściowa podawana w omach (Ω) jest natomiast parametrem, od którego zależy poprawna praca naszego wzmacniacza z urządzeniami źródłowymi, takimi jak przetworniki czy odtwarzacze CD. Jeżeli impedancja wzmacniacza jest zbyt mała w stosunku do źródła, będzie on obciążał powodował jego nadmierne obciążenie, a w konsekwencji tłumienie sygnału. Ze znacznie lepszą sytuacją mamy do czynienia, gdy impedancja wejściowa wzmacniacza jest znacznie wyższa, niż impedancja odtwarzacza czy streamera.

Współczynnik tłumienia

Wielu audiofilów utożsamia ten parametr z możliwością "kontrolowania" kolumn przez wzmacniacz, i nie bez powodu. Większość głośników zamienia sygnał elektryczny na dźwięk za pomocą drgającej membrany, która wraz z cewką i elementami zawieszenia ma swoją masę, a zatem także pewną bezwładność. Jeżeli nasz wzmacniacz wydałby z siebie króciutki, błyskawicznie ucięty impuls, byłoby idealnie gdyby membrana równie szybko wróciła do położenia początkowego i znieruchomiała. Ponieważ jednak została już wprawiona w ruch, prawdopodobnie zacznie dalej wychylać się do pewnego momentu lub wracać w bardzo niekontrolowany sposób. Podczas tego ruchu, w cewce głośnika indukowany jest prąd, który powinien zostać stłumiony. To zadanie automatycznie przechodzi więc na wzmacniacz. Współczynnik tłumienia obliczany jest jako stosunek impedancji znamionowej kolumn do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Wyraża się go zatem w postaci liczby niemianowanej, jak 20, 100 lub 500. Im wyższy współczynnik tłumienia, tym lepiej.

Pobór mocy

To chyba dość oczywisty parametr, związany bezpośrednio z mocą wyjściową i sprawnością naszego wzmacniacza. Warto przy tym zauważyć, że wielu producentów podaje moc pobieraną w trybie czuwania, na tak zwanym biegu jałowym (kiedy urządzenie jest włączone, ale nie gra), a czasami także moc "typową" i oczywiście maksymalną. Na pobór mocy warto zwrócić szczególną uwagę przy zakupie wzmacniacza lampowego, potężnego pieca pracującego w klasie A lub amplitunera, którego producent podaje niebywale wysoką moc wyjściową, ale za to podejrzanie niski pobór prądu z gniazdka.

Pojęcia związane z konstrukcją danego modelu

Klasa pracy wzmacniacza

Jednym z podstawowych pojęć związanych ze wzmacniaczem jest klasa pracy. W sprzęcie audio najczęściej spotykamy się z klasą A, AB i D, znacznie rzadziej z klasą B, C i innymi, takimi jak G i H. Czym w ogóle jest klasa pracy wzmacniacza? Najprościej można powiedzieć, że jest to pewien tryb, w jakim wykorzystujemy nasze elementy wzmacniające - lampy lub tranzystory. W fachowej terminologii klasę pracy wzmacniacza wyznacza to, jaką część sygnału - mającego postać sinusoidy - przewodzi pojedynczy element wzmacniający. Inaczej mówiąc - jak dużo obowiązków mu przydzielamy. Różnice między klasami pracy polegają przede wszystkim na możliwej do uzyskania mocy, ale także ilości generowanych zniekształceń. We wzmacniaczu pracującym w klasie A, każdy tranzystor lub każda lampa otrzymuje pełną sinusoidę, w klasie B jest to dokładnie połowa tego przebiegu, w klasie AB mamy nieco powyżej połowy okresu (w związku z czym łatwiej jest później połączyć ze sobą sygnały z różnych lamp lub tranzystorów), natomiast w klasie C każdy element otrzymuje nawet mniej, niż połowę "całej roboty" do wykonania. Wzmacniacze pracujące w klasie D to jeszcze inna technologia, w której nie mówimy już o typowej, analogowej sinusoidzie. Zagadnienie jest na tyle złożone, że omówimy je w osobnym artykule.

Prąd spoczynkowy

Klasa pracy wzmacniacza, niezależnie od jego topologii układu (poza klasą D), ustalana jest przez ustawienie odpowiedniej wartości prądu spoczynkowego. Ściślej mówiąc, jest to określenie punktu pracy na charakterystyce statycznej tranzystora - tak, aby przewodził on odpowiednią część okresu sinusoidy. Często można spotkać się z określeniem kąta przewodzenia, gdyż pełny okres sinusoidy wynosi 360 stopni. Tyczy się to również lamp elektronowych. W niektórych wzmacniaczach lampowych prąd spoczynkowy ustawiany jest przez użytkownika za pomocą specjalnych punktów pomiarowych i śrub lub wygodniejszych w użyciu pokręteł. Wielu producentów stosuje jednak układy automatycznej regulacji prądu spoczynkowego (autobias). We wzmacniaczach tranzystorowych regulacja prądu spoczynkowego jest raczej jedną z czynności, którą powinien zająć się profesjonalny serwis.

Sprzężenie zwrotne

Rozwiązanie polegające na dodawaniu pewnej części sygnału wyjściowego do sygnału wejściowego. Stosując je we wzmacniaczu uzyskuje się lepsze parametry (stabilność wzmocnienia, liniowość, kształt charakterystyki częstotliwościowej i czasowej), jednocześnie zmniejszając ogólną wrażliwość układu na zmiany parametrów pracy. Sprzężenie zwrotne ma jednak swoje wady. Dobrze sprawdza się w przypadku sygnałów sinusoidalnych, które jednak w muzyce występują bardzo rzadko. Sygnał podawany z powrotem na wejście powoduje także powstanie opóźnień (tym większych, im dłuższa jest ścieżka sygnałowa i liczba stopni wzmocnienia), a zatem w pewien sposób zniekształca oryginalny dźwięk. Głębokie sprzężenie zwrotne może zwiększyć zawartość wyższych harmonicznych nieparzystych, na które ludzki słuch jest szczególnie wyczulony. Zastosowanie sprzężenia zwrotnego ma bezpośredni wpływ na brzmienie wzmacniacza, dlatego wielu audiofilów preferuje układy bez tego rozwiązania.

Push-Pull i Single-Ended

Dość często, szczególnie w technice lampowej, możemy spotkać się z określeniem Push-Pull, zwanym także układem przeciwsobnym. Najprościej mówiąc, chodzi o to, że dwa elementy wzmacniające (na przykład lampy) sumują ze sobą dwa sygnały na trafiające na transformator wyjściowy, z czego jeden odwrócony jest w fazie o 180 stopni. Pozwala to na znaczne zwiększenie mocy wyjściowej przy jednoczesnym zmniejszeniu zniekształceń. Tracimy natomiast pewien brzmieniowy czar, jakim cechuje się konstrukcja Single Ended. Taka topologia stosowana jest najczęściej w konstrukcjach lampowych z jedną lampą mocy w kanale, a także w niektórych wzmacniaczach pracujących w klasie A, jak na przykład Aleph 3 Nelsona Passa. W tym przypadku sygnał nie jest w żadnym miejscu sumowany czy odwracany w fazie. Topologie Single-Ended cechują się niską mocą wyjściową - chyba, że stopień mocy składa się z kilku elementów połączonych równolegle. W lampowych konstrukcjach takie układy noszą nazwę Parallel Single Ended.

Dual mono

Mianem tym określa się wzmacniacze zbudowane w jak największym stopniu w formie dwóch oddzielnych, lustrzanych modułów obsługujących kanał lewy i prawy. We wzmacniaczu zintegrowanym z idealnym układem dual mono mamy do czynienia wtedy, gdy jedynym punktem "wspólnym" dla obu kanałów jest potencjometr (choć niektórzy projektanci posunęli się nawet do tego, by głośność w takim wzmacniaczu regulowana była za pomocą dwóch oddzielnych potencjometrów, z możliwością ich mechanicznego połączenia lub rozdzielenia). Coraz częściej określenie to stosuje się jednak do modeli, w których rozdzielenie obu kanałów zostało do pewnego stopnia uproszczone, na przykład poprzez zastosowanie wspólnego transformatora. Co to daje? Przede wszystkim niezależną pracę każdego z kanałów, mniejsze zakłócenia i przesłuchy, a w praktyce - lepsze brzmienie, ze szczególnym naciskiem na stereofonię. Jak rozpoznać wzmacniacz dual mono? Najczęściej widać to już z zewnątrz, na przykład po symetrycznie rozmieszczonych gniazdach lub otworach wentylacyjnych. Najlepiej jednak zajrzeć do środka. Jeżeli układ ma idealnie lustrzaną architekturę, prawdopodobnie mamy do czynienia z konstrukcją dual mono.

Jak z tego wszystkiego zrobić użytek?

Określeń związanych ze wzmacniaczami, rodzajów ich konstrukcji i parametrów, które można porównywać jest bardzo dużo. Pozostaje jednak podstawowe pytanie - jak wszystkie te liczby będą przekładały się na brzmienie i na które rubryki powinniśmy zwrócić szczególną uwagę? Cóż, to będzie w głównej mierze zależało od naszych potrzeb i posiadanego już sprzętu. Przykładowo, jeżeli mamy trudne do wysterowania kolumny, powinniśmy szukać wzmacniacza o dużej mocy, z wysokim współczynnikiem tłumienia, najlepiej pracującego w klasie AB lub D. Chcąc uzyskać cieplejsze, bardziej muzykalne brzmienie, możemy postawić na model lampowy lub hybrydowy albo tranzystor pracujący w czystej klasie A, bez globalnego sprzężenia zwrotnego. To oczywiście tylko przykłady pokazujące, że na pewne cechy i parametry naszego wzmacniacza powinniśmy patrzeć przez pryzmat efektu, jaki chcemy osiągnąć. Znalezienie lub skonstruowanie jednego wzmacniacza brylującego w każdej kategorii jest raczej nierealne. Warto jednak znać pewne pojęcia i wiedzieć co oznaczają (lub co mogą w praktyce oznaczać), aby wybierać świadomie i nie dać się nabrać na sprytne chwyty specjalistów od marketingu.

Zdjęcia: Materiały producentów

• « poprz.