Wzmacniacze, amplitunery i ich parametry

Jednym z głównych urządzeń w systemie stereo lub wielokanałowym jest wzmacniacz lub amplituner. Odpowiada on za wzmocnienie sygnału, który ostatecznie trafia do kolumn głośnikowych. Bez wzmacniacza – czy to zintegrowanego, czy stanowiącego odrębne urządzenie – nie może obyć się praktycznie żaden system audio.

Wśród najczęściej spotykanych w sprzęcie audio rodzajów wzmacniaczy mocy wyróżnić możemy modele tranzystorowe i lampowe. Każda z tych konstrukcji ma zarówno swoje zalety, jak i wady, a tym samym swoich przeciwników, jak i zwolenników. Wzmacniacze tranzystorowe, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują tranzystory, np. polowe tranzystory mocy MOSFET, natomiast we wzmacniaczu lampowym wykorzystuje się lampy elektronowe, składające się z elektrod umieszczonych w bańce próżniowej lub wypełnionej gazem. We wzmacniaczach lampowych istotną cechą jest m.in. trwałość lamp, zależna od technologii produkcji, a także od warunków pracy lampy. Wzmacniacze lampowe są znacznie wrażliwsze na drgania niż modele tranzystorowe.

Wpływ konstrukcji wzmacniacza na brzmienie dźwięku jest niezwykle istotnym czynnikiem przy wyborze odpowiedniego modelu. Zupełnie inna konstrukcja obu typów wzmacniaczy sprawia, że brzmią one inaczej. Powszechnie panuje opinia, że modele lampowe oferują charakterystyczne, cieplejsze brzmienie w porównaniu z modelami tranzystorowymi, co nie oznacza, że jest ono lepsze od tranzystorowego, jest po prostu nieco inne.

We wzmacniaczach lampowych pojawia się często również kwestia trwałości wykorzystywanych lamp. Trudno jest jednak jednoznacznie ją określić. Zależy ona m.in. od sposobu ich wytwarzania, a także napięć, z którymi mają pracować, oraz od warunków pracy samego urządzenia. Trwałość lamp może skrócić np. brak odpowiedniej wentylacji.

W sprzęcie audio możemy spotkać ponadto tzw. konstrukcje hybrydowe, które wykorzystują lampy w przedwzmacniaczu, a tranzystory w końcówce mocy. Pozwala to uzyskać lampowy charakter brzmienia, a jednocześnie zapewnia dużą moc urządzenia. Urządzeń wykorzystujących to rozwiązanie jest jednak niewiele na rynku.

Najważniejsze parametry wzmacniaczy i amplitunerów

Przy wyborze wzmacniacza lub amplitunera do zestawu audio nie sposób nie zwracać uwagi na parametry techniczne tych urządzeń. Producenci w specyfikacji podają najczęściej moc urządzenia, zniekształcenia harmoniczne, pasmo przenoszenia oraz stosunek sygnału do szumu.

Moc urządzenia to parametr, od którego zależy, jak głośno i jednocześnie czysto jest w stanie zagrać system audio, w którym wykorzystywany jest wzmacniacz lub amplituner. Parametr ten może być różnie podawany przez producentów, np. jako moc RMS, PMPO czy też moc znamionowa. Najczęściej podawana jest wartość RMS (Root Mean Square). Z matematycznego punktu widzenia jest to wartość średniokwadratowa. Wartość RMS zwana jest także wartością skuteczną. Moc RMS powinna być podawana dla określonego dopuszczalnego poziomu zniekształceń harmonicznych, np. 10 proc. THD, oraz dla określonej wartości impedancji obciążenia, np. 4 Ω lub 8 Ω, i liczby jednocześnie wysterowanych kanałów.

Zniekształcenia harmoniczne są to niepożądane składowe pojawiające się w wyjściowym sygnale audio. Są one wynikiem przetwarzania sygnału przez wzmacniacz. Wartość całkowitych zniekształceń harmonicznych (THD, z ang. Total Harmonic Distortion) podawana jest w procentach. Im mniejsza wartość, tym, oczywiście, lepiej pod względem jakości dźwięku.

Pasmo przenoszenia to zakres częstotliwości przetwarzanych przez urządzenie, w którym wzmacniacz oddaje moc przy określonym poziomie zniekształceń harmonicznych. Wartość pasma przenoszenia określana jest zwykle dla spadku mocy o 3 dB (czyli o połowę) od wartości nominalnej. Nie oznacza to jednak, że wzmacniacz czy amplituner nie przetwarza częstotliwości poza pasmem podanym w specyfikacji, ale to, że poziom sygnału poza podanym pasmem będzie mniejszy o więcej niż 3 dB od poziomu nominalnego.

SNR (Signal to Noise Ratio) jest to wartość określająca stosunek poziomu sygnału użytecznego (sygnału audio) do poziomu szumu. Podaje się ją dwojako. Może być to wartość nieważona, czyli mierzona w skali liniowej, lub ważona, wykorzystująca przy pomiarach tzw. krzywe korekcyjne, wśród których najpopularniejsza jest tzw. krzywa korekcyjna A. Sygnałami niepożądanymi mogą być różnego rodzaju przydźwięki i szumy wytwarzane podczas pracy wzmacniacza czy amplitunera.

W wypadku wzmacniaczy podawane są też niekiedy takie parametry jak czułość i impedancja wyjściowa. Czułość określona jest przez wartość napięcia wejściowego wzmacniacza, która przy maksymalnym wzmocnieniu i ustalonej częstotliwości (zwykle przyjmuje się 1 kHz) pozwala uzyskać tzw. moc znamionową. Natomiast impedancja wejściowa wzmacniacza jest to parametr determinujący poprawną pracę z innymi urządzeniami, które zostały do niego podłączone, np. odtwarzaczami CD. Dobrze jest, aby wzmacniacz miał znacznie większą impedancję wejściową od impedancji urządzenia sterującego do niego podłączonego (minimum 10-krotnie).

W wypadku wzmacniaczy i amplitunerów warto zwrócić uwagę na pobór mocy. Jest on ściśle związany ze sprawnością wzmacniaczy i ich klasą. W tego typu sprzęcie trudno o uzyskanie 100-procentowej sprawności, ponieważ tylko pewna część mocy uzyskiwanej ze źródła energii trafia do obciążenia. W zależności od konstrukcji mniejszy lub większy procent mocy zamieniany jest na energię cieplną (stąd nagrzewanie się wzmacniaczy).

Zjawiskiem istotnym, zwłaszcza w wypadku modeli stereofonicznych, są tzw. przesłuchy oraz odpowiednia separacja kanałów. Wartość przesłuchów określa liczbowo wielkość „przecieków” sygnału między kanałami wzmacniacza lub amplitunera. Przesłuchy związane są z sygnałami niezależnymi od siebie (nieskorelowanymi). Natomiast separacja dotyczy sygnałów skorelowanych, a więc m.in. właśnie stereofonicznego sygnału audio. Pomiaru przesłuchów międzykanałowych dokonuje się z wykorzystaniem tonu sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHz. Odtwarza się go w jednym z kanałów i odczytuje się napięcie uzyskiwane w drugim kanale. Zmierzoną wartość podaje się w decybelach.

Wzmacniacze zintegrowane są zwykle wyposażone w prostą korekcję brzmienia, opartą na regulacji tonów niskich i wysokich. Dostępna jest też regulacja balansu.

Najpopularniejsze klasy pracy wzmacniaczy

Wzmacniacze różnią się między sobą tzw. klasami pracy. Są one oznaczane literami alfabetu. To, do jakiej klasy zaliczamy wzmacniacz, zależeć będzie od tego, przez jaką część okresu sygnału sinusoidalnego wykorzystywany we wzmacniaczu tranzystor lub lampa przewodzi prąd. O klasie pracy wzmacniacza decyduje tzw. punkt pracy. Jest to stan, w którym znajduje się lampa lub tranzystor wówczas, gdy na wejście wzmacniacza nie jest podawany sygnał. Wyróżnia się m.in. klasy A, B, AB, C i D. Najpopularniejszą obecnie klasą wzmacniaczy jest klasa D. Tego typu konstrukcje charakteryzują się dużą sprawnością i niewielkim poziomem zniekształceń harmonicznych. Są to tzw. wzmacniacze impulsowe. Ich praca jest dwustanowa, tzn. wzmacniacz w pełni przewodzi prąd albo nie przewodzi w ogóle. Modele klasy D nazywane są potocznie wzmacniaczami cyfrowymi, właśnie z uwagi na charakter pracy takiego wzmacniacza. Mylące może być także oznaczenie literowe – „D”, które kojarzy się z angielskim „digital”, co oznacza „cyfrowy”.

Konstrukcje typu dual mono

Wśród wzmacniaczy dwukanałowych dostępne są konstrukcje tzw. dual mono. Różnią się one od klasycznego modelu stereofonicznego tym, że obydwa kanały są od siebie odpowiednio odizolowane. Chodzi tu przede wszystkim o ich zasilanie. Znacznie zmniejszają się wówczas przesłuchy międzykanałowe. Konstrukcja dual mono to poniekąd dwa wzmacniacze monofoniczne zamknięte w jednej obudowie.

Odprowadzanie wytwarzanego ciepła

W wypadku urządzeń wzmacniających sygnał audio ważne jest zapewnienie właściwego odprowadzania wytwarzanego przez nie ciepła, a więc prawidłowej wentylacji. Brak odpowiedniego przepływu powietrza może znacznie skrócić trwałość urządzenia wzmacniającego. Niektóre wzmacniacze mogą wydzielać dużo ciepła podczas pracy, zwłaszcza jeśli pracują w górnym zakresie wzmocnienia. Wydzielana energia cieplna to efekt uboczny ich funkcjonowania i zależy w dużej mierze od parametrów technicznych danego modelu, obciążenia urządzenia i klasy pracy wzmacniacza. Nie powinno się więc na wzmacniaczu czy amplitunerze ustawiać dodatkowych urządzeń, np. odtwarzaczy CD lub Blu-ray, i zastawiać otworów wentylacyjnych w obudowie urządzenia. Dodatkowy sprzęt lepiej umiejscowić tuż obok. Jeżeli będziemy chcieli umieścić komponenty audio na szafce RTV, powinna ona mieć odpowiednią wysokość półek, aby ciepłe powietrze ze wzmacniacza mogło być swobodnie wyprowadzane. Podobnie przedstawia się sytuacja w wypadku szaf typu rack, w których często jedno urządzenie montowane jest tuż nad innym. Wówczas pomieszczenie, w którym znajduje się taka szafa, powinno być odpowiednio klimatyzowane. Niektóre modele wzmacniaczy wyposażone są w specjalne układy zabezpieczające przed przegrzaniem. Wówczas urządzenie wyłącza się automatycznie, jeżeli jego temperatura będzie zbyt wysoka. Jest to bardzo korzystne rozwiązanie z punktu widzenia użytkownika, ponieważ urządzenie samo „wie”, kiedy jego temperatura jest zbyt wysoka, i wstrzymuje wtedy pracę.

W niektórych wzmacniaczach audio stosowane są transformatory toroidalne, które zapewniają cichą pracę urządzenia i pozwalają uzyskać sygnał o dużej dynamice.

Przykłady autorskich rozwiązań technicznych

Producenci wzmacniaczy i amplitunerów stosują w swoich urządzeniach rozmaite opatentowane techniki, które zapewniają nie tylko stabilną pracę urządzenia, ale również dobrą jakość dźwięku. W niektórych urządzeniach Pioneera stosowane są np. konstrukcje wzmacniaczy Direct Energy HD. Na uwagę zasługuje także rozwiązanie stosowane z powodzeniem przez inżynierów Marantza – HDAM (z ang. Hyper Dynamic Amplifier Modules). Firma Marantz opracowała ponadto technikę ADDC (Adaptive Double Differential Control). W sprzęcie tej marki stosowane są też układy z CFA (Current Feedback Amplification). Przykładem autorskiego rozwiązania jest obudowa Precision Direct Mechanical Ground Construction, wykorzystywana w niektórych urządzeniach Denona.

Wymienione powyżej różnorodne układy i rozwiązania techniczne to tylko pojedyncze przykłady „patentów” stosowanych przez producentów wielosegmentowego sprzętu audio-wideo. Pokazują one jednak, jak bardzo zaawansowane techniczne mogą być urządzenia takie jak wzmacniacze czy amplitunery, co w konsekwencji przekłada się na bardzo dobrą jakość przetwarzania przez nie sygnału audio.

Przedwzmacniacz do systemów stereo i kina domowego

Tego typu modele jako osobne urządzenia wykorzystywane są w droższych, bardziej rozbudowanych systemach audio. Przedwzmacniacz do zestawu stereofonicznego lub wielokanałowego wyposażony jest w różnorodne wejścia audio, dekodery i przetworniki. Współpracuje on z końcówką mocy, której zadaniem jest ostateczne wzmocnienie sygnału i przesłanie go do kolumn głośnikowych. W systemach audio, w których przedwzmacniacz i końcówka mocy stanowią odrębne urządzenia, umożliwia on dokonanie wyboru źródła odtwarzanego dźwięku i regulację poziomu sygnału podawanego do układu ostatecznego wzmocnienia. Przedwzmacniacz może być wyposażony w różnorodne filtry i korektory dźwięku, nie jest to jednak regułą. Niektóre urządzenia mogą nie mieć nawet regulatora balansu, nie wspominając już o bardziej zaawansowanych rozwiązaniach.

Wśród dostępnych na rynku modeli do systemów stereofonicznych i wielokanałowych możemy więc spotkać zarówno proste konstrukcyjnie modele, jak i prawdziwe „kombajny” multimedialne, wyposażone w różnorodne złącza, a także moduły bezprzewodowe i dekodery obsługujące rozmaite formaty plików. Tego typu modele pozwalają nie tylko na współpracę z wieloma urządzeniami audio-wideo, ale także na dostęp do plików multimedialnych z Internetu, np. z internetowych rozgłośni radiowych lub serwisów strumieniujących muzykę. Zaawansowane przedwzmacniacze audio mogą pozwalać na obsługę kilku stref odtwarzania dźwięku. Dzięki temu z wykorzystaniem jednego przedwzmacniacza możemy nagłośnić kilka pomieszczeń w sposób niezależny, tzn. w każdym z nich możliwe będzie odtwarzanie innej muzyki w innym czasie.

Przedwzmacniacze gramofonowe

W systemach audio wykorzystywane są również przedwzmacniacze gramofonowe. Ich zadaniem jest wzmocnienie poziomu sygnału audio z gramofonu oraz dokonanie korekcji tego sygnału zgodnie z tzw. krzywą RIAA, opracowaną w 1955 r. przez Amerykańskie Stowarzyszenie Przemysłu Fonograficznego (Recording Industry Association of America). Wykorzystanie przedwzmacniacza gramofonowego pozwoli na podłączenie gramofonu do dowolnego wejścia liniowego audio (zwykle 2 × RCA), np. w amplitunerze czy wzmacniaczu. Gramofonu bez przedwzmacniacza nie należy podłączać bezpośrednio do wejścia liniowego wzmacniacza, ponieważ ma ono zbyt małe wzmocnienie oraz względnie liniową charakterystykę przenoszenia, co uniemożliwi uzyskanie satysfakcjonującego brzmienia.

Pamiętajmy, że niektóre modele gramofonów mogą mieć już wbudowany przedwzmacniacz. Wówczas nie ma konieczności stosowania dodatkowego, zewnętrznego modułu przedwzmacniacza. Modele gramofonów niewyposażone w przedwzmacniacz można podłączać bezpośrednio do wejścia analogowego audio w urządzeniach takich jak amplitunery czy wzmacniacze, ale musi to być wejście przeznaczone specjalnie dla gramofonu. Jest ono oznaczane najczęściej jako „Phono”. Złącze to ma o wiele większą czułość w porównaniu z pozostałymi, liniowymi wejściami RCA oraz charakterystykę częstotliwościową zgodną ze wspomnianą krzywą RIAA.

Przedwzmacniacze gramofonowe mogą mieć wbudowany filtr antywibracyjny i antyszumowy. Podczas pracy napędu gramofonowego przy odczycie płyty wytwarzane są bowiem wibracje, które przenoszone na wkładkę (MC lub MM) mogą powodować zniekształcenia sygnału, najczęściej w paśmie niskich częstotliwości. Filtr antywibracyjny jest więc z reguły górnoprzepustowy, a jego częstotliwość graniczna, zależnie od modelu przedwzmacniacza, ma wartość od ok. 40 do 90 Hz. Z kolei zadaniem filtru antyszumowego jest tłumienie zniekształceń powstających podczas odczytu nieco już zużytej płyty gramofonowej. Niestety, płyty te mają to do siebie, że po pewnym czasie może dojść do niewielkich zmian kształtu rowka, co może spowodować powstawanie charakterystycznego szumu podczas odtwarzania.