Hifi-skolan, del 7

I den allra första delen av Hifi-skolan fick vi lära känna utsidan på förstärkaren – alla knappar, ingångar och utgångar. I den sjunde lektionen återvänder vi till brottsplatsen och tittar på vad som händer på insidan.

Rör eller transistorer?

Förstärkare byggs enligt två väldigt olika principer: med radiorör eller med transistorer som förstärkande element. Båda teknikerna har sina egna styrkor, svagheter och unika ljudmässiga fingeravtryck.

Rörförstärkaren

Rörförstärkaren är den ursprungliga tekniken. Här skickas musiksignalen genom glödande elektronrör som fungerar som små förstärkare. Rören måste värmas upp för att fungera och har en begränsad livslängd, men deras speciella egenskaper uppskattas av många entusiaster.

En avgörande komponent i nästan alla rörförstärkare är utgångstransformatorn. Rör arbetar med en mycket hög impedans (tusentals ohm), medan högtalare har en låg impedans (vanligtvis 4–8 ohm). Transformatorn fungerar som en elektrisk ”växellåda” som matchar de två och ser till att effektöverföringen är effektiv.

Denna transformator är ofta den dyraste och mest ljudpåverkande delen av förstärkaren. Kvaliteten på den avgör till stor del basens tyngd och diskantens luftighet, och är en viktig orsak till rörförstärkarens unika ljudsignatur.

Rörljud

När en rörförstärkare pressas till sin gräns börjar den vanligtvis att förvränga gradvis, men mjukt. Denna mjuka kompression kan vara mer behaglig för örat än den abrupta förvrängningen som många transistorförstärkare har.

Dessutom är förvrängningen som ett rör ger ifrån sig starkt beroende av dess design. Speciellt i enkla ”single-ended” klass A-konstruktioner dominerar de så kallade jämna harmoniska övertonerna som är musikaliskt relaterade till grundtonen och kan uppfattas som extra värme och fyllighet. Det är denna ljudkaraktär som många förknippar med det klassiska ”rörljudet”. I starkare ”push-pull”-rörförstärkare minskas denna typ av förvrängning och ljudet blir ofta mer neutralt.

Transistorförstärkaren

Transistorförstärkaren använder halvledarteknik för att förstärka signalen. Transistorer är mer effektiva, utvecklar mindre värme och kan leverera stora mängder effekt. Till skillnad från radiorör, som slits ut när de används, har transistorer mycket lång livslängd. De behöver inte någon utgångstransformator och kan driva högtalare direkt, vilket potentiellt eliminerar en källa till färgning av ljudet.

När en transistorförstärkare pressas till gränsen förvränger den ofta mer abrupt med ”hård” klippning. Förvrängningen domineras av udda harmoniska övertoner, som kan uppfattas av örat som hårdare eller mer kliniska än rörförvrängningens jämna övertoner.

Hybridförstärkaren

För att kombinera det bästa av två världar bygger vissa tillverkare så kallade hybridförstärkare. De har vanligtvis rör i förförstärkarsteget för att ge ljudet den eftertraktade värmen och glöden, medan effektförstärkarsteget använder transistorer för att leverera riklig effekt och kontroll över högtalarna.

Ett annat exempel på samma sak är när man i en förstärkarkombination med separata komponenter har rör i förförstärkaren och transistorer i effektförstärkaren.

Förstärkarklasser – effektivitet kontra ljud

Alla förstärkare är indelade i klasser som beskriver det grundläggande sättet förstärkarkomponenterna (rör eller transistorer) arbetar. Även om det finns många bokstäver i klass-alfabetet kan man förstå hur nästan alla förstärkare fungerar genom att känna till de tre grundläggande principerna: Klass A, Klass AB och Klass D.

Var och en av dessa tre representerar var sin designfilosofi: från den ljudmässigt kompromisslösa men ineffektiva klass A, till den utbredda och praktiska kompromissen klass AB till den moderna och högeffektiva klass D-tekniken.

Medan principen för klass A och AB används i både rör- och transistorförstärkare är klass D-förstärkare bara möjliga med transistorteknik.

Klass A

I en klass A-förstärkare drar de förstärkande elementen (transistorer eller rör) konstant en hög ström. Även när ingen musik spelas.

Fördelen är ett rent och detaljerat ljud där man undviker den så kallade crossover-förvrängningen. Detta är en typ av förvrängning som uppstår i klass AB-kretsar när signalen korsar nollpunkten och en uppsättning transistorer tar över från en annan. I klass A hanterar samma transistorer hela signalen, så det blir ingen ”överlämning”. Nackdelen är hög strömförbrukning och betydande värmeutveckling.

En transistorbaserad 2 x 50-watts klass A-förstärkare drar vanligtvis ungefär 800 watt kontinuerligt från elnätet. Det mesta av detta avges som värme. Som kuriosa producerar en klass A-förstärkare faktiskt minst värme när den spelar på full volym, eftersom en större – men fortfarande minimal – andel av effekten används till högtalarna.

Klass AB

Även om klass A är älskad för sitt ljud så arbetar de flesta klassiska transistorförstärkare i klass AB. Här är förstärkarelementen bara delvis aktiva vid tomgång men ökar sin aktivitet när det behövs.

Detta är en kompromiss mellan ljudkvaliteten hos klass A och praktiska överväganden som strömförbrukning och värmeutveckling. Många avancerade klass AB-förstärkare har dessutom en hög tomgångsström (”bias”), så att de reellt arbetar i ren klass A vid låga volymer för att kombinera det bästa av två världar.

En 100-watts klass AB-förstärkare använder vanligtvis 20 watt i tomgång och upp till cirka 300 watt när den belastas fullt.

Klass G och H

Förutom huvudklasserna A och B finns det uppfinningsrika varianter som klass G och H. De är egentligen optimerade klass AB-konstruktioner som avsevärt förbättrar effektiviteten. Genom att använda en adaptiv strömförsörjning som bara levererar den nödvändiga höga matningsspänningen när den behövs under en kort tid, men annars arbetar vid en lägre spänning, minimerar de överskottsvärmen utan att kompromissa med den analoga ljudkvaliteten.

Klass D

Klass D-förstärkare kallas ofta felaktigt digitala, men är i själva verket en typ av blixtsnabba analoga förstärkare.

Principen går ut på att omvandla den analoga musiksignalen till en serie högfrekventa pulser, där pulsernas bredd (varaktighet) exakt återspeglar signalens ursprungliga vågform (en teknik som kallas PWM, Pulse-Width Modulation). Pulserna slår på och av förstärkarens transistorer blixtsnabbt. Eftersom transistorerna antingen är helt påslagna eller helt avstängda blir det nästan överskottsvärme.

Efter denna högeffektiva förstärkning filtreras de högfrekventa pulserna bort så att det enda som återstår är den rena, förstärkta musiksignalen.

Fördelen är hög effektivitet. Upp till 95 % av effekten som kommer in i förstärkaren från strömförsörjningen omvandlas till ljud. En klass D-förstärkare på flera hundra watt kan därför fungera med en kompakt strömförsörjning och kräver inte stora kylflänsar för att leda bort värmen.

Tidigare hade klass D ett rykte om sig att ha kallt och artificiellt ljud, men moderna kretsar kan låta lika naturligt som vanliga analoga förstärkare. Detta gäller till exempel de danskutvecklade Purify Eigentakt-modulerna, som bland annat används av NAD i modellerna M33 och C298.

Power DAC

En Power DAC tar den effektiva klass D-tekniken ett steg längre genom att sätta ihop digitalomvandlaren och effektförstärkaren. I stället för att först konvertera en digital signal till analog tar en Power DAC den digitala signalen direkt från källan och omvandlar den via en avancerad processor till kraftfulla pulser (PWM) som driver högtalarna.

 

Hela processen håller signalen i den digitala domänen så länge som möjligt. Denna korta och direkta signalväg är den stora fördelen, eftersom den minskar antalet komponenter och omvandlingar som kan introducera brus och förvrängning. Skillnaden mot en vanlig klass D-förstärkare är enkel: en Power DAC har en digital ingång medan klass D har en analog. Nyare Bluesound PowerNode-förstärkare, som N330, är ​​exempel på Power DAC-konstruktioner.

Balanserad drift: Två olika koncept

Inom hifi används termen ”balanserad” för att beteckna två olika saker som ofta förväxlas: signalöverföring mellan apparaterna och förstärkarens interna kretsar.

Balanserad signalöverföring (XLR-kablar) handlar om att transportera en musiksignal från en apparat till en annan (till exempel från en DAC till en förstärkare) utan brus. Signalen skickas i två versioner genom kabeln: en normal och en i motfas. Brus som plockas upp längs vägen kommer att vara detsamma i båda ledarna i kabeln. I den mottagande apparaten vänds sedan motfassignalen och läggs ihop med den normala. Detta eliminerar bruset samtidigt som musiksignalen fördubblas. Detta är särskilt effektivt när man har långa signalkablar. I den professionella ljudvärlden kan det finnas flera kilometer långa balanserade kablar i en inspelningsstudio.

Helbalanserad förstärkardesign handlar om förstärkarens interna kretsarkitektur. En helt balanserad förstärkare behandlar de positiva och negativa halvorna av signalen i två helt separata och spegelvända kretsar, från ingång till utgång. Eftersom alla kretsar är speglade kräver det dubbelt så många komponenter och är en dyrare och mer puritansk metod som potentiellt kan ge ännu lägre förvrängning och bättre kanalseparation.

En förstärkare kan alltså ha balanserade XLR-ingångar utan att vara helt balanserad på insidan, precis som en helbalanserad förstärkare fortfarande har obalanserade RCA-ingångar utöver de balanserade XLR-ingångarna.

Bryggkoppling: Skapa din egen balans

En del stereoförstärkare kan ”bryggkopplas” så att båda kanalerna arbetar tillsammans för att driva en enda högtalare, vilket ger en dramatisk ökning av effekten.

Så här fungerar det: Inuti förstärkaren inverteras signalen till ena kanalen. Högtalaren kopplas sedan in mellan de två positiva terminalerna (+). Detta gör att en kanal arbetar i motfas med den andra, vilket fördubblar spänningen över högtalaren. Eftersom effekten är proportionell mot kvadraten på spänningen (P=V2/R) är den teoretiska effektökningen fyra gånger den ursprungliga. Men eftersom teoretiskt perfekta förstärkare som ger exakt dubbel effekt när högtalarimpedansen halveras bara existerar i teorin är den praktiska effektökningen ofta ungefär tre gånger. En 100-watts stereoförstärkare kan alltså lämna cirka 300 watt som monoblock.

En extra bonus är att bryggkoppling i praktiken skapar en helt balanserad förstärkare. De två kanalerna fungerar precis som de två separata halvorna av en helbalanserad konstruktion, där högtalaren drivs i en balanserad ”push-pull”-konfiguration. Det är ett elegant sätt att uppnå både hög effekt och följa principerna för balanserad drift.

Priset för effekten är för det första att förstärkaren belastas hårdare, eftersom den ”ser” en halverad impedans från högtalaren. En 8-ohms högtalare belastar varje kanal som en 4-ohms högtalare. Så om du har 4-ohms högtalare bör du inte koppla den till en bryggkopplad förstärkare.

Den bryggade stereoförstärkaren är omvandlad till mono och man behöver alltså två identiska, sådana i en stereoanläggning.

Strömförsörjningen

En ganska förbisedd, men helt avgörande del av förstärkaren är strömförsörjningen. För att leverera en konstant, oförvrängd signal och tillräcklig effekt behöver strömförsörjningen leverera en helt ren spänning – och massor av ström. Det finns två huvudtyper: linjära och switchade nätdelar.

Den linjära strömförsörjningen använder en stor, tung transformator för att omvandla nätspänningen från 230 V till de lägre spänningar som kretsarna kräver. Efter transformatorn likriktas växelströmmen till likström, som sedan lagras i stora kondensatorer. Dessa kondensatorer fungerar som en strömreservoar som kan leverera energi mycket snabbt när musiken kräver det, till exempel för ett kraftfullt slag på en bastrumma.

Fördelen med en välbyggd linjär strömförsörjning är dess grundläggande enkelhet och låga elektriska brus. Nackdelen är den höga vikten, den fysiska storleken och priset som beror på de stora komponenterna. I en gammaldags stereoförstärkare kan man känna kvaliteten och den råa styrkan direkt genom att lyfta kabinettet. Ju tyngre, desto bättre.

En switchad strömförsörjning är mer komplex, men betydligt effektivare. Här likriktas först nätspänningen från vägguttaget till en hög likspänning. Denna likspänning ”hackas” sedan sönder av blixtsnabba transistorer till en högfrekvent växelström. Först därefter leds strömmen genom en transformator, som på grund av den höga frekvensen kan vara otroligt liten och lätt. Till sist likriktas och filtreras strömmen igen.

Tidigare plågades switchade nätdelar av högfrekvent brus som kunde förorena musiksignalen. Men moderna konstruktioner har blivit så tysta och stabila att de nu används i många highend-förstärkare. De arbetar också vid mycket högre frekvenser – ibland flera hundra kilohertz – vilket gör att arbetsfrekvensen ligger långt bort från den hörbara signalen i förstärkaren. En annan fördel med switch-mode-strömförsörjningar är att de ofta är reglerade, vilket innebär att de levererar en helt stabil spänning, oavsett hur hårt förstärkaren arbetar.

Dämpfaktor – kontroll över membranen

Dämpfaktorn är ett mått på hur väl förstärkaren kan kontrollera högtalarmembranen. När ett slag på en bastrumma upphör ska membranet stanna omedelbart – inte fortsätta svänga fram och tillbaka.

Dämpfaktorn mäts som förhållandet mellan högtalarimpedansen och förstärkarens utgångsimpedans. En 8-ohms högtalare och en förstärkare med en utgångsimpedans på 0,1 ohm ger en dämpfaktor på 80.

En hög dämpfaktor innebär en tight baskontroll och precis ljudbild. En låg dämpfaktor kan låta mjukare och mer musikaliskt, men också mer oexakt.

Rörförstärkare har vanligtvis lägre dämpfaktor (10–20) än transistorförstärkare (50–500), vilket är en av anledningarna till deras olika ljudkaraktär och en del av förklaringen till varför samma rörförstärkare kan låta olika med olika högtalare.

Dämpfaktor i verkligheten

Även om dämpfaktorn beräknas enbart utifrån förstärkaren är det i verkligheten summan av motståndet i förstärkaren, kablarna och framför allt högtalarens delningsfilter som avgör den verkliga kontrollen över membranet.

I synnerhet har spolen (eller, i branta delningsfilter, spolarna) som leder signalen till baselementet, genom de många metrarna koppartråd, ett inre motstånd som ofta är mycket större än förstärkarens egen utgångsimpedans.

Detta innebär att när den totala resistansen från delningsfilter och kabel tas med i beräkningen så blir den praktiska skillnaden mellan en förstärkare med en dämpfaktor på 200 och en med 1 000 ofta akademiskt liten.

En tillräckligt hög dämpfaktor är viktig för tight bas, men jakten på extrema siffror i specifikationerna är sällan den heliga graalen när högtalaren väl är inkopplad. Åtminstone så länge vi pratar om passiva högtalare. I en aktiv högtalare, där varje högtalarelement är direkt anslutet till sin egen förstärkare, kan man få en mycket högre verklig dämpfaktor.

Förvrängning – när ljudet går sönder

Distorsion uppstår när förstärkaren inte kan återge signalen perfekt. I en perfekt värld är det bara den rena musiksignalen som kommer ut, men i praktiken lägger varje krets i signalvägen alltid till lite förvrängning och brus. De viktigaste måtten på detta är THD+N och IMD.

THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise)

Denna mätning anger den totala mängden oönskad signal som en förstärkare lägger till. Den består av två delar:

• THD (harmonisk förvrängning): Mäter hur mycket förstärkaren lägger till harmoniska övertoner. Om du spelar en 1 000 Hz-ton mäter THD mängden 2 000 Hz, 3 000 Hz, etc.
• N (brus): Mäter förstärkarens grundbrus – en blandning av bruset från elektroniken och eventuellt brum från strömförsörjningen.

Moderna förstärkare har ofta THD+N under 0,1 %. Även om det är lågt är det viktigt, eftersom vissa typer av förvrängning kan vara hörbar även på låg volym.

IMD (Intermodulation Distortion)

Intermodulationsförvrängning uppstår när två eller flera toner blandas och skapar nya, oönskade toner. Om du spelar 1 000 Hz och 1 100 Hz samtidigt kan förstärkaren skapa en ton på 100 Hz (skillnaden) eller 2 100 Hz (summan).

Intermodulationsförvrängning är ofta mer hörbar än harmonisk förvrängning eftersom de nya tonerna inte har någon naturlig koppling till musiken.

Låga förvrängningssiffror är bra, men de bör mätas under realistiska förhållanden. En förstärkare kan ha låg förvrängning vid 1 watt, men hög förvrängning vid full effekt. Eller vice versa, när det gäller crossover-förvrängning i klass AB-förstärkare som är konstant oavsett signalens styrka och därför mest hörbar vid låg effekt.

Klippning: Den festliga högtalar-dödaren

Oavsett förstärkartyp uppstår klippning när förstärkaren pressas till högre effekt än den orkar ge ifrån sig. Den del av musiksignalen som överstiger förstärkarens maximala nivå skärs helt enkelt av. Ju mer förstärkaren överbelastas desto närmare kommer den klippta signalen att likna en fyrkantsvåg.

En ren fyrkantsvåg består rent harmoniskt av grundtonen plus en stor mängd kraftfulla, udda övertoner. Detta har en farlig konsekvens för högtalarna. I en vanlig musiksignal finns den absolut mesta energin i bas- och mellanregistret. Men när förstärkaren klipper våldsamt skapar den en enorm mängd artificiell, högfrekvent energi i form av dessa övertoner.

Denna energi skickas direkt till högtalarens diskant, som inte alls är byggd för att hantera så mycket effekt. Resultatet blir att diskantens känsliga talspole snabbt överhettas och bränns sönder. Den främsta orsaken till sprängda diskanter är inte för stora förstärkare, utan för små förstärkare som pressas och börja klippa när volymen höjs under festens sena timmar.

Slutsats

Förstärkarens interna struktur påverkar ljudet på sätt som går utöver den enkla effektklassningen. Valet mellan rör och transistorer, förstärkarklass, signalbehandling och strömförsörjning formar ljudet som kommer ut ur högtalarna.

Det finns inte en enda lösning som alltid är bäst. En bra klass D-förstärkare kan fungera utmärkt med rätt högtalare, medan en single-ended rörförstärkare med låg uteffekt kan briljera i andra sammanhang.

Det är sådant som kan få vem som helst att ligga sömlös – men också det som gör hifi till en intressant hobby.

I nästa del av Hifi-skolan tar vi en närmare titt på hörlurar och head-fi.