Zniekształcenia wzmacniaczy audio

Zniekształcenia wprowadzane do wyjściowego sygnału audio są odpowiedzialne w głównej mierze za degradację sygnału audio przekazywanego na wyjście wzmacniacza mocy. Jednak każdy amator dobrego brzmienia choć trochę osłuchany ze sprzętem audio na pewno spostrzegł, że deklarowany przez producentów parametr THD ma niewiele wspólnego z rzeczywistą jakością dźwięku. W prezentowanym artykule przedstawimy tego powody i wyjaśnimy znaczenie parametrów dotyczących zniekształceń podawanych w nocie katalogowej.

Zniekształcenia i szumy

Głównym zadaniem wzmacniaczy mocy jest dostarczenie do głośnika prądu wystarczającego do napędzenia membran głośników, które z kolei pobudzają drgania powietrza w pomieszczeniu odsłuchowym. Biorąc pod uwagę możliwą do osiągnięcia głośność i masę, którą należy poruszyć, można dojść do wniosku, że wzmacniacz powinien dostarczać naprawdę duże ilości prądu. Istotnie, wzmocnienie prądowe elektroakustycznych wzmacniaczy mocy może sięgać dziesiątek tysięcy. Układ elektroniczny znajdujący się we wnętrzu ma trudne zadanie, stąd czasem mylnie kieruje na wyjście zbyt wiele lub zbyt mało prądu. Te błędy wzmacniacza można podzielić na dwa typy:

• szumy – błędy, które nie zależą od przetwarzanego sygnału,
• zniekształcenia – błędy, które są zależne od wielkości lub prędkości zmian sygnału wejściowego.

Szum zależy głównie od jakości komponentów, z których zbudowany jest wzmacniacz. Jeśli szum ma stosunkowo niski poziom, wówczas nie wpływa istotnie na jakość odbioru odtwarzanej muzyki. Aktualnie jedynie wzmacniacze gramofonowe borykają się jeszcze ze znacznym poziomem szumu wyjściowego; w innych, dobrej jakości układach, poziom szumu jest pomijalny. Zniekształcenia natomiast nadal są duże, podobnie jak ich wpływ na jakość odtwarzanego dźwięku.

Zniekształcenia THD (Total Harmonic Distortion)

Poziom zniekształceń harmonicznych (THD) to parametr opisujący w bardzo techniczny sposób statyczną liniowość wzmacniacza. Parametr ten bada się, podając na wejście pojedynczy ton (zwykle sinusoidę o częstotliwości 1 kHz) i obserwując, jak duży błąd spowodował wzmacniacz w stosunku do wielkości sygnału na wyjściu. Zniekształcenia harmoniczne wyrażają w sposób liczbowy błędy w działaniu wzmacniacza, które wprowadzane są w takt ciągłych zmian sinusoidalnego napięcia podanego na wejście. Utrudnienie polega na tym, że pomiaru dokonuje się w sytuacji, która nie wymaga od układu wzmacniacza zbyt wiele wysiłku. Podany na wejście sygnał jest doskonale gładki i przewidywalny, więc w takiej sytuacji układ raczej się nie myli. Jeśli wzmacniacz zbudowany jest poprawnie, a zasilanie na to pozwala, nie powinien wprowadzać zniekształceń większych niż 0.1%. Bywa jednak i tak, że wzmacniacze o większych zniekształceniach grają świetnie. Dzieje się tak dlatego, że drobna nieliniowość charakterystyki przejściowej wzmacniacza nie ma w istocie kluczowego znaczenia – powoduje jedynie pewnego rodzaju zmianę barwy dźwięku, porównywalną do sytuacji, gdy artysta zagrałby na innym, niekoniecznie gorszym, instrumencie.

Barwę czy koloryt dźwięku określają właśnie składowe harmoniczne. Są one wynikiem złożonego procesu rezonansowego, który realizują instrumenty muzyczne. Często twórcy wkładają ogromny wysiłek we wzbogacenie brzmienia swoich instrumentów poprzez dodanie odpowiednich harmonicznych. Parametr THD ma więc bardzo techniczny charakter i przy zakupie nie należy brać go pod uwagę jako wskaźnika kluczowego. Od urządzeń klasy High-End wymaga się jednak, aby i te zniekształcenia pozostawały na bardzo niskim poziomie, tak by system audio jak najlepiej oddawał barwę oryginalnie zarejestrowanego dźwięku. Należy przy tym pamiętać, że najczęściej to kolumny głośnikowe wprowadzają dziesiątki, a nawet tysiące razy większe zniekształcenia harmoniczne. Wpływ wzmacniacza na tego rodzaju zniekształcenia jest więc znikomy.

Zniekształcenia IMD (Intermodulation Distortion)

Poziom zniekształceń intermodulacyjnych jest również pewnego rodzaju miarą nieliniowości statycznej układu wzmacniacza. Rzecz w tym, że układy nieliniowe mają skłonność do mieszania sygnałów. Mieszanie jest technicznym określeniem zjawiska, które polega na dodaniu na wyjściu nieliniowego układu błędów w postaci sygnałów nowych tonów o częstotliwościach będących rozmaitą kombinacją (sumą lub różnicą) częstotliwości tonów pierwotnie podanych na wejściu. Sygnały zmieszane nie są harmonicznymi (całkowitymi wielokrotnościami), które jedynie zmieniają barwę dźwięku, ale tonami, które raczej nie „stroją” w tonacji utworu, dlatego odbiera się je jako fałszywe i zaburzające tło.

Pomiaru IMD dokonuje się, podając na wejście wzmacniacza dwa tony, o częstotliwościach niebędących swoją całkowitą wielokrotnością, i mierząc, jak duże są te dodatkowe tony „zmieszane” w stosunku do sygnału na wyjściu. Zniekształcenia tego typu mają większe znaczenie pod względem określenia odsłuchowej jakości sygnału, jednak z uwagi na bardzo dobrą liniowość współcześnie budowanych układów nie są to zwykle zniekształcenia dominujące. Należy dodać, że tak jak w przypadku THD, kolumny głośnikowe są pod tym względem znacznie bardziej problematyczne.

Zniekształcenia TIM (Transient Intermodulation Distortion)

Dynamiczne zniekształcenia intermodulacyjne (TIM) są miarą błędu mieszczącego się w szerokiej grupie błędów wprowadzanych do sygnału audio w wyniku nieliniowości dynamicznej wzmacniacza. Zniekształcenia TIM są miarą błędów powstałych w sytuacji, kiedy wzmacniacz – ze względu na ograniczenia w prędkości dostarczania prądu na wyjście – zmienia dramatycznie swoje właściwości, nie przenosząc w ogóle małych sygnałów. Wzmacniacz w stanie dynamicznego przeciążenia na krótko staje się układem bardzo nieliniowym, wprowadzając dla niektórych składowych bardzo duże zniekształcenia. Co ważne, potencjał prądowy zasilacza nie ma decydującego wpływu na generowanie zniekształceń TIM. Powstają one w wyniku nieodpowiedniego doboru wzmocnień napięciowych w obwodzie sterowania wzmacniaczem ze sprzężeniem zwrotnym.

Odpowiedni dobór parametrów równania opisującego pracę układu sterującego wzmacniaczem jest poważnym wyzwaniem badawczym, a jego praktyczna realizacja jest bardzo trudna. Zniekształcenia tego typu nie występują w układach bez sprzężenia zwrotnego, jednak układy takie charakteryzują się dużą nieliniowością i są czułe na charakter obciążenia. Zniekształcenia TIM mają bardzo duży wpływ na rzeczywistą/odsłuchową jakość dźwięku, a ich źródłem może być zarówno elektronika analogowa, jak i cyfrowa.

Zniekształcenia fazowe

Zniekształcenia fazowe powstają w systemach nieliniowo-fazowych, czyli takich, które składowe dźwięków o różnej częstotliwości przetwarzają w różnym czasie (z różnym opóźnieniem). Złożony z wielu składowych sygnał po przetworzeniu w systemie nieliniowo-fazowym ma zupełnie inny kształt. Dźwięk zniekształcony fazowo nieco zmienia swoją barwę, ale nie zmienia zawartości harmonicznych. Zniekształcenia fazowe mają jednak poważny wpływ na odbiór przestrzeni i umiejscowienia w niej instrumentów muzycznych w systemach wielokanałowych (np. stereofonicznych). Zniekształcenia fazowe uwidaczniają się mocniej w dynamicznych elementach utworu. Poza wzmacniaczem mocy, źródłem zniekształceń fazowych mogą być także kolumny głośnikowe oraz różnego rodzaju korektory barwy dźwięku (analogowa regulacja tonów) i filtry cyfrowe typu IIR (np. shelf). 

Informacyjna pustka specyfikacji technicznej

Opisane w artykule typy zniekształceń nie odzwierciedlają w pełni mechanizmów powstawania zniekształceń we wzmacniaczach mocy – są to jedynie parametry, które starają się w bardzo niedoskonały sposób scharakteryzować jakość urządzenia. Należy podkreślić, że większość producentów podaje jedynie parametr THD, który ma najmniejszy realny wpływ na jakość sygnału wyjściowego i w rzeczywistości nie świadczy o technicznej doskonałości urządzenia. Z drugiej strony, producenci nie podają zwykle wartości TIM z tego względu, że standardowy sposób pomiaru tego typu zniekształceń nie pozwala na dobre ich scharakteryzowanie wartością liczbową. Brakuje zatem ogólnie przyjętej, ustandaryzowanej i obiektywnej metody pomiaru zniekształceń dynamicznych, co powoduje, że specyfikacja techniczna niewiele mówi o rzeczywistej jakości dźwięku na wyjściu urządzenia. Z punktu widzenia konsumenta jest to poważny problem. Wybierając wzmacniacz, należy zatem sugerować się własnym słuchem.