Продолжаю повествовать о своих изысканиях в мире портативной аудиотехники. В предыдущей заметке я рассказал о том, что дружу с музыкой ещё с детства и поделился своими впечатлениями о тех наушниках, которыми я пользовался. В этой же заметке я хочу рассказать о причинах моего перехода на портативный плеер и какие выгоды предоставляет портативный плер по сравнению с обычным, пусть и дорогим, смартфоном.

Сначала немного теории. Оговорюсь сразу — я сознательно упрощаю эту самую теорию, чтобы дать первоначальное представление. Если есть желание изучить более детально, то следует обращаться к другим источникам.

Итак, для того, чтобы слушать музыку нужны, грубо говоря, три устройства — источник звука, усилитель и акустическая система. Для домашней системы это, скажем могут быть проигрыватель компакт-дисков в качестве источника звука, стереоусилитель и акустические колонки. Что же касается портативной аудиосистемы, то как правило источник звука и усилитель совмещены в одно устройство — портативный плеер, а в качестве акустической системы используются проводные или беспроводные наушники. Да, конечно, возможны т.н. бутерброды — это когда к смартфону или плееру подключают внешний портативный усилитель, как с ЦАП (цифрово-аналоговый преобразователь), так и без него. Но лично я не любитель таких громоздких решений и лишних проводов — я не жду от портативной техники божественного звучания и для меня важна компактность, но, естественно, с хорошими характеристиками за те деньги, которые я готов потратить.

Да, современные смартфоны прекрасно справляются с функцией плеера, зачем же тогда нужны портативные плееры? А всё дело в верности или качестве воспроизводимого звука и способностей по согласованию с различными наушниками. Что же влияет на качество взука? Звуковоспроизводящий тракт портативного плеера состоит и четырёх компонентов:

  • ЦАП — цифрово-аналоговый преобразователь. Это устройство преобразует цифровые данные (а именно в таком виде хранится музыка в наше время, всякие там mp3, m4a, ogg, flac, alac, DSD и прочее) в аналоговый аудиосигнал. От ЦАП зависит то, насколько точно и аккуратно будет получен аналоговый сигнал для его усиления.
  • ФНЧ — фильтр низкой частоты. Он нужен для того, чтобы отфильтровать все шумы, которые возникают в процессе преобразования. Этот фильтр может быть уже встроенныем в микросхему ЦАП или же быть отдельным устройством. От качества фильтра и от крутизны его характеристики зависит количество мусора в верхнем диапазоне частот. А у сигма-дельта ЦАПов используется цифровой интерполирующий фильтр, который занимается обработкой цифровых данных ещё до преобразования в аналоговый сигнал, поэтому ФНЧ для такого ЦАП может быть более простым, т.к. для обычных мультибитовых ЦАП ФНЧ должен обеспечивать спад в полосе цастот от 20 кГц до 44,1–20 = 24,1 кГц по крайней мере, на 60 дБ. Такой спад АЧХ трудно реализовать на аналоговых фильтрах.
  • Уилитель — собственно то самое устройство, которое занимается усилением слабого сигнала, получающегося на выходе ЦАП до уровня, необходимого для работы наушников.
  • Буфер — специальное устройство, которое (упрощённо говоря) предназначено для согласования нагрузки, в качестве которой выступают наушники, с выходным каскадом усилителя.

От качества всех вышеперечисленных компонентов зависит и качество звука (я сейчас не рассматриваю наушники), который мы услышим, но я хочу более подробно остановиться лишь на ЦАП и усилителе в сравнении с теми компонентами, которые используются в смартфонах.

Итак, цифрово-аналоговый преобразователь. ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Ниже перечислены наиболее важные характеристики ЦАП:

Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Сейчас это минимум 16 бит (я говорю о музыке), 24 или 32 бита.

Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешёвых ЦАП частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, а это вся музыка, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

  • THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) — мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.
  • Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.
  • Статические характеристики:

DNL (дифференциальная нелинейность) — характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;

INL (интегральная нелинейность) — характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики;

усиление;

смещение.

  • Частотные характеристики:

SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) — характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;

HDi (коэффициент i-й гармоники) — характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;

THD (коэффициент гармонических искажений) — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

Из них важными являются частоты дискретизации — они должны быть точно такими же, как и в исходном цифровом потоке, чтобы не было передискретизации; суммарные гармонические искажения + шум — это именно из-за них звук превращается в «кашу»; динамический диапазон — от него зависит восприятие музыки; коэффициент гармонических искажений также влияет на появление «каши». Но это всё цифры, которые мало что говорят обычному пользователю. Честно говоря, сами микросхемы стоят относительно недорого. Топовые ЦАП у различных производителей обходятся за 7 — 15 долларов за штуку и, по правде говоря, дают достаточно верный звук. Но, из-за различного исполнения и сопутствующей обвязки они все звучат немного по-разному. У каких-то сильный акцент на верхних частотах, у каких-то более сильное разделение каналов, какие-то дают очень чистую середину, одни играют мягко, другие резко и динамично. И вот это уже на любителя. Для улучшения характеристик, в плеерах могут быть установлены два ЦАП — по одному на левый и правый канал, как правило это касается увеличения соотношения сигнал/шум.

Что же касается смартфонов, то у производителей основная задача — это максимально продолжительная работа устройства. Т.е. при сохранении приемлемых размеров, а мы прекрасно знаем, как сейчас гонятся за толщиной смартфонов, аппаратная начинка должна быть настолько энергоэффективной и компактной, насколько это можно. Поэтому в смартфонах практически не встречаются, скажем так, отдельно установленные ЦАП. В них используются так называемые «кодеки» — микросхемы, которые уже включают в себя ЦАП, АЦП (аналого-цифровой преобразователь), усилитель, процессор обработки аудиосигнала (тембр, эквалайзер, громкость, спецэффекты), интерфейсы и пр. Более того, АЦП и ЦАП там по несколько штук — для основного микрофона и вспомогательного, для шумоподавления, для встроенных динамиков и для выхода на наушники и пр. Вот, например, аудиокодек от Cirrus Logic для смартфонов. И размер этой микросхемы должен быть весьма скромным, а энергопотребление маленьким. Если ознакомиться с характеристиками ЦАПов, то можно увидеть, что они значительно хуже, чем, например, весьма зарекомендовавший себя ЦАП Cirrus Logic CS4398, который используется в достаточно дорогих SACD-плеерах высокого класса.

Конечно же, встречаются в смартфонах и хорошие ЦАП, например, в Meizu Pro 5 используется 32-битный стерео ЦАП ESS ES9018K2M, но это единичные случаи и на самом деле это просто маркетинг. Ниже станет понятно почему.

Теперь поговорим об усилителях. Некачественный усилитель может угробить любой ЦАП, но помимо качества (я имею ввиду элементную базу), усилители ещё бывают разных классов (вернее это выходные каскады усилителей бывают разных классов, но для простоты я буду называть именно так), имея свои преимущества и недостатки. Итак, начнём.

Класс А

Углы отсечки полуволны сигнала в режиме А

Класс А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, так называемый угол проводимости равен 360°.

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента.

Получается, что оба транзистора  находятся в активной зоне и по мере спада коллекторного тока одного транзистора, увеличивается ток другого. В результате мы получаем практически идеальную линейность каскада и полное отсутствие нелинейных искажений. Но, во-первых, мощность, потребляемая от источника питания, равна удвоенной мощности выходного сигнала и является величиной постоянной, не зависящей от входного сигнала. То есть, если усилитель развивает максимальную выходную мощность 2 Вт, то потребляемая от источника питания мощность составит 4 Вт.

Во-вторых, выходные транзисторы имеют привычку греться, т.е рассеивают некоторую мощность, т.к. КПД (коэффициент полезного действия) не 100%. Теоретический КПД при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже, в реальных усилителях класса А он обычно равен 20%, то есть на те же 2 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 8 Вт тепла. Еще одна особенность класса А – мощность рассеяния транзисторов тем больше, чем меньше входной сигнал. То есть, если вы оставите работающий усилитель без входного сигнала, он будет греться как печка, так как в отсутствие входного сигнала мощность рассеяния транзистора равна максимальной выходной мощности усилителя.

Итак, подытожим – чем же хорош класс А? Прежде всего отличной линейностью и отсутствием искажений – форма сигнала на выходе остается такой же, какой она была на входе. Но за это нам приходится платить большой потребляемой мощностью и чрезвычайно низким КПД усилителя. Пойти на такие жертвы могут далеко не все и такой режим работы усилителей применяется только в очень качественных системах, стоимость которых записывается минимум чертыхзначным числом и в американских долларах. Правда, у меня есть такой — для наушников. Сам собирал.

Усилители класса А не получили широкого применения в бытовой аудиотехники, а уж из-за низкого КПД и огромной рассеиваемой мощности в виде тепла такие усилители не используются в портативной технике, не говоря уже о смартфонах — смартфон будет очень сильно греться и опустошать батарею чудовищными темпами.

Класс В и гибрид А и В

Углы отсечки полуволны сигнала в режимах В и АВ

В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.

Смещения тут нет совсем никакого, то есть транзисторы открываются исключительно от входного сигнала. Таким образом, особенность этого режима заключается в том, что при отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты, и каскад не потребляет от источника питания совершенно ничего. При наличии входного сигнала транзисторы работаю поочерёдно – для положительных полуволн работает npn-транзистор, а для отрицательных pnp.

В режиме В получается всё по-честному: потребляемая мощность возрастает по мере роста входного сигнала и, соответственно, выходной мощности. Максимальная рассеиваемая мощность составляет 127% от максимальной, т.е. усилитель мощностью 2 Вт будет рассеивать 2,54 Вт, максимальный теоретический КПД около 78%. Уже неплохо!

В чистом классе В нас поджидает большая неприятность — нелинейные или, как их ещё называют — переходные искажения первого рода. Как можно видеть на графике, синусоида выходного сигнала вместо того, чтобы плавно переходить через ноль, как во входном сигнале, имеет «провал».

Дело в том, что для открытия транзистора необходимо подать напряжение на его базу, которое превышает некоторое пороговое значение, которое для кремниевых биболярных транзисторов составляет 0,7 В. Таким образом, возникает следующая ситуация: величина положительной волны входного сигнала начинает убывать, «положительный» транзистор начинает закрываться; в какой-то момент величина положительной волны становится ниже 0,7 В и «положительный» тразистор оказывается полностью закрыт, при этом «отрицательный» транзистор всё ещё закрыт и откроется он только тогда, когда величина отрицательной полуволны входного сигнала достигнет напряжения -0,7 В. В итоге мы получаем, грубо говоря, отсутствие выходного сигнала. Т. е. выходной сигнал получается несоответствующим входному — искажённым. И вот тут на сцену выходит усилител класса АВ.

Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.

Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при бо́льших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.

Предельный КПД идеального каскада в режиме АB примерно равен режиму В и составляет порядка 72%. С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной трети максимальной мощности, потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46 % от Pмакс(Rн), а КПД каскада уменьшается до 40 %. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться. В итоге, говоря простым языком, усилитель потребляет большую мощность и заметно греется.

Итак, подведём итог:

  • класс А — отличная линейность, практически полное отсутствие нелинейных искажений, но суровые мощностные характеристики, особенно в части потребления и тепловыделения;
  • класс В — мало потребляет, очень мало, но при этом так уродует выходной сигнал, что уж лучше бы вообще ничего не делал.
  • класс АВ — компромиссное решение между двумя предыдущими классами. Взято все лучшее от одного и другого. Вроде всех устраивает по соотношению цена/качество, за исключением, конечно, страшных людей — аудиофилов. Те предпочитают погорячее.

Класс D

Разумеется, вышеописанными тремя классами дело не ограничивается — есть, например, такие экзотические режимы как А+ или G, но мы их рассматривать не будем, ввиду их чрезвычайно малой распространенности. Но, надо подробно остановиться на на усилителях класса D. Давайте рассмотрим общую структурную схему усилителя:

Принцип следующий: на компаратор поступают входной сигнал и треугольные импульсы с фиксированной частотой и он начинает надругаться над аналоговым сигналом — заниматься широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Давайте пристально рассмотрим, что происходит, посмотрев на картинку:

Итак, на один вход компаратора поступают треугольные импульсы от генератора, а на другой входной сигнал, который необходимо усилить (на картинке — синусоида).

Дальше компаратор делает следующее: если текущее (мгновенное) значение уровня «пилы» превышает значение уровня входного сигнала, компаратор переключается в низкий логический уровень, если же наоборот — уровень сигнала «пилы» меньше, чем аудио сигнал, то компаратор переключается в логическую единицу.

Таким образом, на выходе компаратора мы получаем прямоугольный сигнал, ширина импульсов которого зависит от амплитуды входного сигнала, а частота его равна частоте задающего генератора (как правило используется диапазон 200 — 500 кГц) — т.е. широтно-импульсно модулированный сигнал.

Далее, промодулированный сигнал поступает на усилитель мощности на полевых транзисторах, которые работают в ключевом (т.е. ВКЛ/ВЫКЛ) режиме. После усилителя сигнал поступает фильтр низкой частоты, который отфильтровывает высокочастотную составляющую сигнала и восстанавливает аналоговый сигнал, который и воспроизводится затем нагрузкой.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного ФНЧ фильтра можно довести до 0,01%, что очень и очень достойно.

Но, всё вышеперечисленное хорошо на бумаге. Звучание основной массы усилителей класса D, увы, не может потягаться со звучанием усилителей класса АВ, не говоря уже о классе А. Отличный пример — это AV-ресиверы: в стандартный по ширине корпус надо впихнуть 6 — 8 мощных, усилителей для двух фронтальных колонок, центральной, двух тыловых, сабвуфера и двух боковых. Итого, общая мощность может доходить до 600 Вт, а куда отводить тепло, рассеиваемое транзисторами?  Поэтому в ресиверах как правило используются усилители класса D. Для просмотра фильмов они отлично подходят, а вот для полноценного прослушивания музыки, увы, не годятся. Самый простой стереоусилитель заткнёт за пояс практически любой массовый ресивер. Есть модели ресиверов, у которых усилители для фронтальных колонок выполнены в классе АВ, но и стоимость у них завышена по маркетинговым соображениям.

Конечно же есть очень даже неплохие модели усилителей класса D у таких производителей, как Wadia, Lyngdorf, но и стоимость у них приличная. Что же касается именно верности воспроизведения, то, увы, они уступают усилителям класса АВ, не говоря уже о классе А.

Вернёмся к портативной технике. После прочтения этой упрощённой вводной части можно сделать вывод, что аудиотракт большинства смартфонов представляет собой кодек, отвечающий за преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал, и средненький, а то и хуже,  усилитель класса D из-за необходимости снизить потребление энергии и выделение тепла. В редких случаях смартфоны, как, например, Meizu Pro 5, могут быть оснащены отдельным стерео ЦАПом и отдельным усилителем (правда, нет информации к какому классу он относится и я более, чем уверен, что он класса D). Это приводит к тому, что звук, воспроизводимый смартфоном и, например, CD-проигрывателем со встроенным усилителем для наушников заметно разнятся. И я не имею ввиду проигрывание mp3-файла на смартфоне, а именно воспроизведение несжатого аудиопотока. Это же самое верно и для специализированных портативных аудиоплееров, т.к. эти аудиоплееры HiFi-класса оснащаются полноценными цифрово-аналоговыми преобразователями и усилителями класса АВ и при одновременном прослушивании одного и того же файла будет слышна большая разница между смартфоном и плеером.

Конечно же, далеко не всем нужен хороший звук. Многие спокойно слушают музыку со своих смарфонов, используя комплектные наушники и их всё устраивает. Но лично я очень люблю музыку, привык к звучанию хорошей аудиоаппаратуры, которой владеет мой отец и я начал подыскивать себе портативный плеер, о котором я обязательно расскажу в отдельной заметке.