Про усилители часто говорят «быстрый» и «медленный», особенно когда речь про атаку, щелчок малого барабана или звонкость тарелок. У «быстроты» усилителя есть вполне измеряемая сторона: скорость нарастания выходного напряжения. Ниже считаем, сколько её нужно на самом деле и где начинается маркетинг.
Сколько В/мкс нужно для звука?
Считается из самого крутого участка синуса. Для синуса с амплитудой Uпик и частотой f максимальная скорость изменения:
SR = 2π × f × Uпик
Возьмём мой фронтовой моноблок: около 190 Вт в 4 Ом, это ≈ 27,6 В действующего и ≈ 39 В в пике. На 20 кГц: 2π × 20 000 × 39 ≈ 4,9 В/мкс. Для 100 Вт в 4 Ом получается ≈ 3,6 В/мкс. То есть при полной мощности на 20 кГц нужно единицы вольт на микросекунду.
А зачем тогда в паспортах пишут 50 и 100 В/мкс?
Для запаса, и это разумно. Во-первых, полная мощность на 20 кГц в реальной музыке не встречается: энергия на верхах в разы меньше, чем на басу и середине. Во-вторых, запас по SR говорит, что каскады усилителя работают далеко от своего предела и не добавляют искажений задолго до него. Инженерное правило: иметь запас в несколько раз от расчётного. Но разница между 30 и 300 В/мкс на слух в машине уже не проявляется.
Что будет, если SR не хватает?
Синус превращается в треугольник: усилитель тянет напряжение с максимальной скоростью и не успевает за сигналом. Это нелинейность, и она проявляется в первую очередь как интермодуляционные искажения на высоких частотах. В 70-х это явление обсуждали как TIM (transient intermodulation), когда усилители с глубокой обратной связью и медленным входным каскадом давали грязь на резких фронтах.
Как SR связана с частотным диапазоном усилителя?
Это разные ограничения. Частотный диапазон говорит, на каком уровне сигнала малый синус проходит без завала. SR говорит, до какой частоты усилитель выдаст полное напряжение. Отсюда понятие «полоса полной мощности»: fмакс = SR / (2π × Uпик). Для SR 20 В/мкс и 39 В в пике это ≈ 82 кГц, с большим запасом.
Частые уточнения про «быстрый» усилитель
Скорость нарастания с атакой и панчем связана слабо. Атака в машине определяется в первую очередь динамиками, их массой подвижной системы, ящиком, настройкой фазы и тем, как стыкуются полосы. Самый быстрый фронт в музыке, записанной с частотой 44,1 или 48 кГц, всё равно ограничен полосой около 20 кГц. Усилителю с SR 10 В/мкс хватает, чтобы его повторить. Ощущение «ватного» баса почти всегда от салона, фазы и оформления, а не от SR.
Нет, звуковому процессору высокая скорость нарастания не нужна: его выход отдаёт единицы вольт. По той же формуле SR = 2π × f × Uпик для 2 В действующего на 20 кГц нужно около 0,36 В/мкс, для 4 В около 0,71 В/мкс. Любой современный операционный усилитель на выходе процессора перекрывает это с огромным запасом, так что смотреть стоит на шум и искажения.
Точно измерить скорость нарастания без осциллографа нельзя: SR видна только по наклону фронта прямоугольного сигнала. Косвенно её выдаёт рост искажений на 10–20 кГц при большой мощности, но такой замер на твитере опасен для самого твитера. Проще найти независимые измерения усилителя или посчитать свою потребность по формуле и сравнить с паспортом.
Нужная скорость нарастания в мосте вдвое выше: напряжение на нагрузке вдвое больше. Каждое плечо при этом работает со своим обычным размахом, так что для самих каскадов ничего не меняется. Для мостового подключения удобно считать так же: SR = 2π × 20 000 × Uпик, где Uпик берут уже для мостовой мощности.
Гейн не меняет скорость нарастания усилителя: SR задаёт схема его каскадов, а не ручка чувствительности. Гейн определяет, до какого выходного напряжения дойдёт сигнал, и тем самым сколько скорости понадобится. Если усилитель выкручен в клиппинг, проблема будет в обрезанных пиках, а не в SR. Выбирая усилитель, смотри на THD и IMD на верхах при реальной мощности.
У усилителя класса D скорость нарастания формально есть, но смысл у неё другой. Выход класса D формируется ШИМ и выходным LC-фильтром, частоты переключения обычно в сотни килогерц. Ограничения скорости тут задаёт фильтр и обратная связь. Для оценки такого усилителя полезнее смотреть на THD и IMD на 10–20 кГц при реальных мощностях.
Где это видно на замере?
Проверка простая: подают прямоугольный сигнал и смотрят осциллографом на фронт. Наклон фронта в В/мкс и есть SR. Второй вариант: синус 20 кГц на полной мощности: если вместо синуса видно треугольник, скорости не хватает. В звуковой полосе это проявляется ростом искажений на верхах при большой мощности.
Что проверить при выборе усилителя?
- Посчитай свою потребность: SR = 2π × 20 000 × Uпик. Для 50–200 Вт в 4 Ом это примерно 2,5–5 В/мкс.
- Паспорт с запасом в 5–10 раз хорош, дальше это не аргумент.
- Смотри на THD и IMD на высоких частотах, они честнее покажут, как усилитель справляется с быстрым сигналом.
- Для твитера мощность нужна маленькая, значит и SR ему нужна скромная, см. твитер.
Скорость нарастания служит хорошим примером параметра, который легко посчитать самому и не переплачивать за цифры. Как оценивать паспорт усилителя целиком под свои динамики, смотри шаг «Подбор компонентов».
Нашёл в паспорте странные цифры по SR или TIM и не знаешь, как к ним относиться? Спроси в нашем чате, посмотрим вместе.
Источники
- IEC 60268-3, «Sound system equipment. Part 3: Amplifiers»
- P. Horowitz, W. Hill, «The Art of Electronics», 3rd ed., Cambridge University Press, 2015
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
См. также: IMD, THD, Синус, Нелинейные искажения.