Zdroj: http://kytara.net/index.php?a=elektronika/jak-je-to-s-tim-quottranzistorovymquot-zvukem • Vydáno: 19.8.2011 22:56 • Autor: Martin

Jak je to s tím "tranzistorovým" zvukem?

Začít můžeme třeba citátem Josefa Růžičky, jehož tým jako první v Evropě postavil elektrickou kytaru a na ni hrál dokonce i legendární George Harrison: "… spousta elektroniky, místo vylepšovačů se používají zkreslovače, všechno musí hodně drnčet a řvát. To mi nesedí – jsem muzikant, ale vypínám radio. Dneska se mladý kluk za rok naučí deset akordů, stačí mu to a když na jevišti dělá šašky, je slavný..."

Než se pustíme do jakýchkoli úvah, připomeňme si několik základních faktů:

situace na trhu informací je poněkud tristní. Nejčastěji se setkáte s informačním brakem, který vytvářejí lidé bez technického vzdělání, bez sebemenší orientace ve fyzice a matematice. Téměř bez výjimky jde o popis pocitů, o papouškování zažitých klišé, jejichž původ lze mnohdy najít v "dezinformacích", vypuštěných před desítkami let výrobci muzikantské techniky. Nechce se mi věřit, že mezi muzikanty nejsou technici, profesionálové v oboru. Stejně tak nechápu, proč se nikdo na zkušenosti příliš neptá např. techniků televizních přenosových vozů, studiových audioinženýrů a dalších profesionálů, zúčastněných na výrobě celé té zvukové kulisy, která nás obklopuje.
použitelných informací je velice málo a zkušenosti audiofilů (fandů věrného zvuku) nám sotva budou k něčemu. Audiofil totiž má svou již existující nahrávku, kterou chce poslouchat a zajímá se jen o reprodukci, zatímco muzikant objekt posluchačského zájmu teprve vytváří. Není tedy konzumentem, ale výrobcem, což je něco zcela jiného.
posloucháte-li jakýkoli zvuk, u jehož vzniku nebo při jehož přenosu byla elektřina, nasloucháte fakticky chvění papírového trychtýře. Nejste tedy na tom o moc lépe, než pejsek na logu His Master's Voice. Příliš velkou roli nehraje, jestli je v roli onoho papírového trychtýře polyesterová či titanová membrána nebo olovnatý titanát zirkonu. Podstatné je, že nasloucháme chvění čehosi, co ani zdaleka nepřipomíná originál, jehož chvění vytvořilo zvuk, který posloucháme. Proto mi připadají směšné učené debaty o "lampovém zvuku", které vedou bigbíťáci s ušima zničenýma trvalým poslechem randálu na prahu bolesti.

Jistěže cosi jako "lampový zvuk" existuje, ale věřte, že je to o něčem jiném, než si 99% muzikantů myslí. Zkuste se zeptat, jaký je rozdíl mezi zvukem "lampového" a tranzistorového aparátu a místo seriózní informace se dozvíte blábol (lampy jsou jednoznačně lepší, profík bere jedině lampy, rozdíly neslyší akorát tetřev hlušec apod.) - přitom by stačilo říci, že odpověď nutno hledat v rozdílném dynamickém chování elektronky a polovodičové součástky (bipolárního tranzistoru či tranzistoru FET). Za všechno může zkreslení, jenže situace je ve skutečnosti mnohem složitější – většinou se dozvíte pouze pouze o celkovém harmonickém zkreslení, které bývá u dnešních moderních zesilovačů v řádu tisícin procenta, tedy asi 100x lepší, než u klasického "lampového" zesilovače.

Jak je tedy možné, že zesilovač s mnohem lepšími parametry zní jinak, podstatně hůř? Je to způsobeno dalšími typy zkreslení, o kterých se z prospektů výrobců nedozvíme naprosto nic. Všechny ty fantastické parametry jsou ve skutečnosti parametry statické, naše ucho však reaguje na parametry dynamické. Příčinou "všeho zla" je zkreslení, označované jako TIM.

Zkreslení TIM (Transient Intermodulation Distortion) je vlastní pouze tranzistorovým zesilovačům. Bylo objeveno s nástupem tranzistorových zesilovačů, kdy audiofilové dávali při subjektivním porovnávání přednost elektronkovým zesilovačům. Tranzistorové zesilovače hodnotili jako nepřirozeně znějící, se zkreslením a "roztřepenými" výškami, i když změřené parametry (například celkové harmonické zkreslení, neboli THD - Total Harmonic Distortion, někdy též označované jako IMD - Intermodulation Distortion, intermodulační zkreslení) byly výrazně lepší. Výrazně lepší však byly hlavně statické parametry, nikoli dynamické. Vznikla proto teorie, podle které za subjektivně horší zvuk tranzistorových zesilovačů mohou nové, dosud neznámé typy zkreslení, které vznikají při dynamickém režimu zesilovače. To se skutečně potvrdilo, po objevení přechodového zkreslení (SID) bylo popsáno i zkreslení TIM.

Následující rozbor bude mít smysl pouze pro technicky orientované čtenáře. Jste-li "antitechnici", rozbor raději nečtěte.

Podmínkou pro vznik TIM je přítomnost celkové zpětné vazby a jedná se o důsledek zkreslení SID (Slew-Induced Distortion). Zkreslení SID vzniká omezenou rychlostí zesilovače kdy zesilovač už nestačí sledovat vstupní signál. Tento jev je způsoben hlavně parazitními a kompenzačními kapacitami zesilovače. K tomu se přidávají omezené schopnosti předchozích stupňů dodat dostatečný budící proud. Parazitní kapacity se vyskytují hlavně u výkonových tranzistorů, kompenzačními kapacity zajišťují stabilitu zesilovače.

SR = I/C [V/ms]

Zkreslení nastává převážně při vysokých úrovních signálu na vyšších kmitočtech, signál je na výstupu zkreslen. Např. při obdélníkovém signálu (obr. 1) dojde vinou omezené rychlosti přeběhu ke změně tvaru obdélníku (obr. 2), změní se strmost náběžné hrany (obr. 2). Pokud v zesilovači existuje záporná zpětná vazba, která se snaží uvedené zkreslení omezit, tj. změní vstupní signál, je vše v pořádku, ovšem jen do té doby, než se vyskytnou signály tak velké úrovně, že dojde k limitaci (omezení, ořezání) signálu (obr. 3 - čárkovaně je naznačen optimální průběh, jsme omezeni napájecím napětím).

Obr. 1 Obr. 2 Obr. 3 Obr. 4

Působením záporné zpětné vazby dojde mimo jiné ke zkrácení doby t1 na t2 (obr. 4). Zvětšením zpětné vazby se prodlouží doba po kterou signál sleduje přímku rychlost přeběhu (zkrácení t2)

K limitaci může ovšem dojít i při malé hlasitosti, čím větší má zesilovač rychlost přeběhu (slew rate, SR), tím je menší zkreslení SID a tím větší úroveň signálu můžeme zpracovat protože zpětná vazba není nucena tolik měnit vstupní signál. Proto snaha některých výrobců o co největší rychlost přeběhu, která ale přináší problémy se stabilitou. Takové zesilovače jsou odolnější na různé kritické situace, mají vyšší základní zkreslení, které ale převážně obsahuje jen nižší harmonické (toto je někdy hodnoceno jako lepší, tzv. "elektronkový" zvuk).

Pokud dojde k limitaci, dojde ke zkreslení, které je sluchem dobře rozpoznatelné. Když zesilovač pracuje v limitaci, chová se krátkodobě tak, jakoby neměl zpětnou vazbu. Čím má zesilovač větší zpětnou vazbu, tím je subjektivně limitace více patrná, zesilovači totiž trvá delší dobu než se z limitace "vzpamatuje" (závisí to ovšem taky na kmitočtu a úrovni zpracování signálu), nejdéle to trvá výkonovým tranzistorům.

Větší zpětná vazba potlačí všechny druhy zkreslení, ovšem na vyšších kmitočtech dochází k menší rezervě zpětné vazby a tím k nárůstu zkreslení. Zkreslení TIM je sice potlačeno, ale jen do strmosti signálu srovnatelného s rychlostí přeběhu zesilovače (strmost signálu závisí na frekvenci a napětí signálu, viz obr. 1). Pak dochází k jeho prudkému nárůstu.

Dostáváme se tedy k příčině "tranzistorového" zvuku. 1% zkreslení signálu nastává zhruba tehdy, pokud je strmost přiváděného signálu rovna rychlost přeběhu zesilovače, toto zkreslení je již pozorovatelné při srovnávacím testu, projevuje se jako menší brilance, příp. jako ztráta výšek. Strmost sinusového signálu (maximální strmost je při průchodu 0):

SS=2pfU_s*10e^-6 [V/us]

kde U_s=1,41U_ef (U_ef - výstupní napětí )

Pro 100 W/8 ohm zesilovač se považuje 25 V/ms jako dostatečná hodnota rychlost přeběhu, běžně uvažujeme rychlost přeběhu asi 0,5 V/ ms na každý špičkový volt výstupního napětí.

V poslechových testech se ale dobře umisťují i zesilovače, které mají rychlost přeběhu nižší, než by vycházelo dle uvedených vzorců, mnoho velmi rychlých zesilovačů má totiž sklony k nestabilitě při napájení složitých reproduktorových výhybek. Projeví se zde totiž kapacitní zátěž.

Pro kontrolu dynamických vlastností zesilovačů se používá např. kombinovaný signál - obdélníkový (3150 Hz) a sinusový (15 kHz) podle IEC (poměr amplitud 4:1). Další používaný signál je trojúhelníkový s invertováním.

V poslední době získávají stále větší oblibu zesilovače s malou, příp. žádnou zpětnou vazbou. Mají "teplejší" a "měkčí" zvuk, více podobný elektronkovým zesilovačům. Otázkou však je, na kolik je to způsobeno zpravidla větším harmonickým zkreslením. Je však také pravda, že zkreslení je tvořeno především nižšími harmonickými, na které je lidské ucho méně citlivé. I proto jsou někdy hodnoceny lépe zesilovače s větším harmonickým zkreslením tvořeným hlavně 2. a 3. harmonickou, než zesilovače se zkreslením tvořeným hlavně vyššími lichými harmonickými.

(rozbor obsahuje i přímé citace z [2])

Jaké je řešení?

Nejdřív hledejme odpověď na otázku, proč jsou elektronky (lampy) tak "dobré". Předně – elektronky (včetně starších typů) byly schopné zpracovávat mnohem vyšší kmitočty. Taková typická "nízkofrekvenční" lampa, pentoda EF86, v pohodě pracuje na 50 MHz. Dvojitá trioda ECC83 (12AX7) funguje dobře na 150 MHz, ECC82 (12AU7) dokonce na 200 MHz. Širokopásmové zesilovače s těmito triodami, které zpracovávaly i takto vysoké kmitočty, bývaly obvyklé např. v elektronkových osciloskopech. První germaniové tranzistory však fungovaly do nějakých 200 kHz, moderní nízkofrekvenční (audio) křemíkové tranzistory pracují do 50 – 100 MHz.

Doba, resp. rychlost přeběhu existuje u každého zesilovače. U aktivního prvku s vysokým mezním kmitočtem je však řádově vyšší a přechodové zkreslení SID i jeho důsledek TIM se tak neprojeví ve slyšitelné míře, navíc nám "nahrává" ještě fakt, že reproboxy či komba, která běžně používáme, bývají podstatně horší, než špičkové hi-fi reprosoustavy. Stejně tak dynamický rozsah (dynamika, zjednodušeně řečeno, rozdíl mezi nejtiššími a nejhlasitějšími tóny) hudby, ve které se uplatňuje kytara, je mnohem menší, než dynamický rozsah symfonického orchestru.

Strašák TIM byl objeven v počátcích polovodičové techniky, kdy byly k dispozici z dnešního pohledu velmi nedokonalé součástky. V té době také neexistovaly např. tranzistory, řízené polem (FET, Field Effect Transistor), které se svými vlastnostmi velmi podobají elektronce. V dnešních špičkových zařízeních pro lékařskou, vojenskou a měřicí techniku elektronky už dávno nenajdete a snad se nenajde nikdo, kdo by byl schopný tvrdit, že reprodukce zvuku kytary je náročnější aplikací, než náročné úlohy ve vojenské či měřicí technice. Ústup od elektronek byl způsoben především jejich omezenou životností, velkým rozptylem parametrů, nutností žhavení. Cena elektronek je oproti "zlatému věku lamp" až 100x vyšší a ve výčtu nevýhod bychom mohli pokračovat. I když se budou "lampáče" ještě nějakých 10 let držet (převážně díky úsilí výrobců audiotechniky a jejich dezinformačním kampaním, cíleným na technicky neznalé zákazníky), můžeme říci, že elektronková technika to má spočítané. Už dnes můžeme říci, že i když "tranzistorový zvuk" existuje, u moderního, dobře navrženého zařízení se s ním nesetkáme.

Odkazy:

[1] http://www.audiosystemsgroup.com/publish.htm

[2] Michal Kellner: Popis vzniku a působení TIM zkreslení u audio zesilovačů, HW server, 11. říjen 1999, http://hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART684-Popis-vzniku-a-pusobeni-TIM-zkresleni-u-AUDIO-zesilovacu.html