Нужен ли фонокорректору дифференциальный каскад

[shurik_pronkin]

Вот блок схема операционного усилителя OPA637/627



Как видите, на входе неизменный дифференциальный каскад.

Дифференциальный усилительный каскад - один из самых ранних и фундаментальных строительных блоков транзисторной схемотехники. Его придумали не для красоты звука, а как способ бороться с паразитами -"грязями", шумом, фоном, наводками, которые норовят проникнуть в полезный сигнал по пути от источника сигнала до первых входных цепей усилителя.
Принцип работы простой: каскад сравнивает два сигнала. Один — положительный вход, другой — отрицательный. Усиливается только разность между ними. Вот простая водопроводная аналогия: Есть две трубы — левая и правая. По обеим течёт вода. Но кран посередине открывается только тогда, когда давление в одной трубе выше, чем в другой. Если давление одинаковое — хоть по 10 атмосфер с каждой стороны — кран остаётся закрытым. Если в одной стало даже чуть-чуть больше, то кран реагирует пропорционально разнице и даёт "сигнал" дальше. Или такая аналогия: в комнате стоит термостат, но у него два датчика температуры: один у окна, другой у двери. Он не смотрит на температуру в абсолюте , а лишь измеряет разницу между ними. Если в комнате сквозняк и у окна холоднее, чем у двери, то он включит обогрев, а если наоборот — отключит. Если температура одинакова , то он ничего не делает, даже если обе температуры низкие.

Поэтому всё, что присутствует на обоих входах диф.каскада одновременно и оно не симметрично, не противофазно (наводки, фоновое напряжение, шум земли), отбрасывается как синфазная помеха, а на выходе остаётся очищеный от синфазного шума сигнал.





Но если шум не синфазный, а уже интегрирован в сигналал как его спектральная часть, например, от предыдущих неотфильтрованных синфазных помех, то дифференциальный каскад уже не поможет — он просто примет этот шум за часть полезного сигнала и честно усилит его. Потому что задача диффкаскада — отличать совпадающие компоненты, а не судить о «музыкальности» или спектральной целесообразности. Таким образом, диффкаскад хорош для отсекания только актуальной внешней синфазной грязи, но бесполезен против предыдущих паразитов трактов, которые уже встроены в спектр сигнала, закрепились в нем — будь то шум питания, резонансы стабилизаторов или искажения тех каскадов, которые создали входной сигнал и зафиксировали его в виде канавки на пластинке, намагниченности магнитной ленты или цифрового потока.

Более того, для корректной работы диффкаскада нужно два полностью идентичных транзистора и их обвязки, нужна 100-процентная симметрия, что реализовать на дискретной элементой базе практике невозможно, потому что даже транзисторы из одной партии имеют разброс параметров — это и токи утечки, различная крутизна, коэффициент усиления и т.д. Нагрев усиливает разброс. Идеально симметричная топология требует подбора и термостабилизации, а значит, дополнительных узлов, которые усложняют схему, удлиняют тракт и вносят свою нелинейность. Диффкаскады приближаются к теоретическим возможностям в микросборках и ОУ, потому что все элементы внутри кристалла изготавливаются в одинаковых условиях, на одном подложечном участке, и прогреваются равномерно. Это позволяет добиться высокой симметрии, низкого дрейфа, стабильного режима работы и хорошего подавления синфазных помех. Но даже в этом случае конструктивная симметрия не отменяет того факта, что любой дифкаскад — это не усиление как таковое, а вычитание. А вычитание — это не про музыку, а про математику.

На лампах и германии дифкаскад построить можно, даже схемы существуют, и даже применялись в измерительной технике, но практического смысла для аудио в этом почти нет, потому что сам смысл диффкаскада — подавление синфазных помех, а это достигается только при идеальной симметрии плеч. А вот именно её на лампах и германии реализовать невозможно в принципе, потому что в лампах даже одной партии расхождение по крутизне, мю и внутреннему сопротивлению идёт за пределы допуска для построения диффкаскадов. В германии — ещё хуже: параметры плывут от температуры, монтажа, даже пайки. Симметрии нет, и не будет, а если нет симметрии, то синфазная помеха превращается в дифференциальную, потому что усиление в одном плече выше, чем в другом. В результате то, что должно было быть подавлено, наоборот попадает на выход в виде дополнительных искажений, фазовых перекосов и фоновых дрожаний. Диффкаскад начинает вести себя не как фильтр, а как генератор паразитных составляющих, и получается обратный эффект: вместо чистого сигнала ещё больше грязи, поэтому в ламповом и германиевом аудио дифференциальный каскад — архитектурно лишний. Он не улучшает, а только засоряет звук.

Операционный усилитель (ОУ) всегда имеет дифференциальный вход не потому, что это удобно или модно, а потому что только такая архитектура обеспечивает универсальность, гибкость и стабильность для инженеров. Во-первых, диффвход позволяет реализовать обратную связь: ОУ усиливает именно разность между двумя входами ( (U+ − U-), и это ключевой момент. Без такого входа невозможно построить классическую ООС — основу всей схемотехники на ОУ. Во-вторых, архитектура диффвхода даёт разработчику широкий инструментарий: инвертирующий или неинвертирующий усилитель, компаратор, буфер, активный фильтр, интегратор — всё строится на одном и том же модуле. В-третьих, только дифференциальный вход обеспечивает подавление синфазных помех, таких как наводка 50 Гц, общие шумы земли и прочие сетевые паразиты: то, что одинаково пришло на оба входа, на выходе просто исчезает, вычитается. И наконец, чисто технологически, внутри микросхемы проще всего реализовать именно диффкаскад: он обеспечивает начальное усиление, высокое входное сопротивление и сразу подхватывает обратную связь. Но у этой универсальности есть цена. Диффвход — это системное ограничение для звука. Он подавляет не только синфазный шум, но и чётные гармоники, потому что он симметричен. Идеальная симметрия — залог подавления второго, четвёртого и всех прочих "музыкальных" искажений, которые делают звук тёплым, органичным, похожим на ламповый. Остаётся только лес нечётных — искажения более «жёсткие», характер которых ближе к транзисторному. Поэтому звук после диффкаскада становится более "холодным", собранным, менее музыкальным. Это не брак — это конструктивная особенность. Также диффкаскад выравнивает микродинамику, гасит случайности, контролирует сигнал "по разности", не пуская в тракт живые флуктуации, которые и делают звук выразительным. В результате тракт получается стабильный, точный, технически идеальный — но звуковая сцена сжимается, теряет телесность и объём.

Почему же тогда диффкаскады повсюду от ОУ, АЦП, ЦАП до студийной техники?

Потому что:

В операционных усилителях диффкаскад — обязательный элемент. Именно он делает ОУ тем, чем он является: устройством, реагирующим на разницу между двумя входами, и ничего не усиливающим без обратной связи. Это не вкусовщина, а логика конструкции: если бы в ОУ не было диффкаскада, он бы не умел сравнивать сигнал и опорное значение — а значит, не мог бы управлять усилением с помощью внешней цепи ООС.

В АЦП и ЦАПах та же история, только ещё более суровая. Там важна точность, а точность в электронике — это всегда борьба с помехами. Питание шумит, земля гуляет, импульсы шлются пачками ... всю эту гадость надо отсечь. Диффкаскады в АЦП и ЦАП фильтруют синфазные помехи, убирают напряжения смещения, выравнивают потенциалы. Без них невозможно получить достоверный цифровой сигнал. Поэтому в ЦАП и АЦП дифференциальные каскады на входе стоят не для красоты — они выполняют функцию фильтрации общей наводки, которая иначе попала бы в оцифровку или синтез звука. Но когда диффкаскады усиливает только разность между "плюсом" и "минусом" сигнала, то всё, что пришло одинаково на оба входа — отфильтровывается. Это называется Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) — коэффициент подавления синфазной помехи. Хорошие диффкаскады (например, в AKM, ESS, Burr-Brown) имеют CMRR выше 80–100 дБ., то есть, помеха в 1 Вольт наводки может быть снижена до микровольт на выходе. Именно это и предотвращает попадание грязи в АЦП или ЦАП. Иначе в ЦАП каждая наводка превращалась бы в оцифрованный артефакт, а в АЦП — ещё хуже: наводка в микрофонной линии сразу становится ошибкой измерения, и которую потом уже не убрать.
Вывод: Диффкаскад на входе ЦАП/АЦП — это как боец на КПП: он пропускает только полезный сигнал, а всё "с фонариками" разворачивает обратно. Без него любой фон из воздуха, соседнего БП или земляной петли попадёт в цифру и станет частью звука или сбоем в измерении. Именно поэтому симметрия и диффвход — не "аудиофилия", а необходимость при работе с малосигнальной аналоговой частью цифро-аналоговых преобразователей.

В студийной технике вообще без вариантов. Десятки метров кабеля, разные земли, куча цифровой периферии. Один длинный небалансный провод может превратить весь тракт в антенну, поэтому вся студийная техника балансная, и в ней везде сидят диффкаскады: в микрофонных предусилителях, DI-боксах, активных мониторах, микшерах — везде.

Всё, что написано выше, справедливо для задач точности (ЦАП\АЦП), работоспособности (ОУ) и устойчивости (студийная техника), но в домашнем аудио важна не столько точность, сколько характер звучания. И тут диффкаскад — палка о двух концах.

Во-первых, в обычной домашней системе нет ни длинных кабелей, ни студийных помех. MM-головка выдаёт несколько милливольт и идёт по 50-сантиметровому экранированному кабелю до ближайшего фонокорректора. Если всё заземлено правильно, экран нормальный, и источник адекватный — никаких наводок нет и диффкаскаду просто нечего фильтровать.

Во-вторых, диффкаскад убивает звук. Буквально. Вместо "дышащего" лампового почерка получается техничный, сухой, отжатый тракт. Это особенно заметно, если фонокорректор построен на дискретных транзисторах, где можно играться с режимами и получать музыкальную сатурацию. Диффкаскад, особенно в виде типового симметричного входа, всё это сводит к нолю. Звук становится правильным, но безжизненным. Даже на германиевых транзисторах диффкаскад звучит уже не так, а если на кремнии, то вообще превращается в "маленький ОУ", со всеми вытекающими: исчезает насыщение, исчезают тела инструментов, исчезает естественный объём.

Если стоит задача сделать "очень правильный" фонокорректор — пожалуйста. Если нужна музыка — лучше от диффкаскада отказаться. Пусть вход будет однотактный, но музыкальный. Пусть будет немного гула, но с телом. Пусть будет микрофонный эффект, но зато с дыханием.

Вывод: Дифференциальный каскад — это инструмент инженера, а не музыканта. Он нужен, когда надо отсечь грязь, компенсировать шумы, вытащить слабый сигнал из болота помех. Он незаменим в студии, в цифре, в измерениях. Если есть реальная проблема с фоном, длинным кабелем, балансной головкой, диффвход имеет смысл, но он не сделает звук «лучше», «музыкальнее» или «ламповее», а скорее как раз убьёт ту самую музыкальную «грязь», поэтому в домашнем звуке, особенно в аналоговой части, он зачастую лишний и даже вредный.