Лучшие компоненты для аудиотехники: Микросхемы

Время чтения: 25 минуты

Вот мы и добрались до микросхем. Как и во всех сферах электроники, микросхемы взяли верх в аудиотехнике и сегодня большинство видов аппаратуры построены на них. Операционные усилители применяются в предварительных каскадах, специализированные микросхемы усилителей мощности — в оконечных каскадах и ЦАП/АЦП в плеерах компакт-дисков, устройствах потоковой передачи мультимедиа, портативной аудиотехнике и т. д.

До конца 1950 электроника не «знала» и слова «микросхема» и собиралась исключительно из дискретных компонентов: электронных ламп, позже транзисторов, резисторов и конденсаторов. Даже простейший монофонический усилитель состоял из десятков деталей, метров соединительных проводников и требовал габаритных блоков питания. Основной проблемой подхода были размер и вес техники, низкая надёжность и высокая цена.

В 1958 году учёный и инженер Джек Килби из Texas Instruments создал первую в мире интегральную микросхему. Очередное революционное изобретение показало, как на крошечной пластине из кремния размещается множество компонентов, «собирая» функционально законченное устройство или хотя бы его узел. Почти одновременно Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor разработал планарную технологию, которая стала основой современной микроэлектроники. Изобретение микросхем и технологии их массового изготовления стали (очередным) технологическим прорывом XX века (которых, как мы уже заметили, было много).

Одной из первых разработанных микросхем был операционный усилитель. Изначально операционные усилители создавались на электронных лампах и дискретных транзисторах и использовались в аналоговых вычислительных машинах для операций сложения, вычитания, умножения, деления, интегрирования и дифференцирования аналоговых величин (как правило, напряжения, реже тока). Нетрудно представить, какие размеры имели вычислительные машины, если только один операционный усилитель был размером с ладонь. С этим безобразием надо было что-то делать.

В 1960-х появились первые интегральные операционные усилители. Одним из первых был μA702, а следом знаменитый μA741, ставший праотцом практически всех операционных усилителей. Разработчиком этих и других моделей был Роберт (Боб) Видлар из Fairchild Semiconductor. ОУ μA741 стал революцией: его простота, доступность, компактность и универсальность открыли широчайшие возможности для развития многих направлений электроники. Например, аудиотехники. Предусилители, микшерные пульты, активные фильтры, измерительное оборудование теперь могли быть массовыми, простыми, компактными и недорогими.

Первые модели операционных усилителей были чрезвычайно медленными, сильно шумящими, были далеки от линейности и примитивны для качественной аудиотехники. Ситуация стала постепенно разрешаться. С 1970–1980 стали появляться специализированные операционные усилители для высококачественного усиления звука. Знаковыми стали NE5532, TL072, LF353 и другие. NE5532 стал находкой для конструкторов оборудования для студий звукозаписи. Низкий уровень шумов, потрясающая линейность и стойкость к перегрузкам позволили применять этот ОУ в обширном классе техники: от портативных кассетных плееров до студийного оборудования. Появление этой и аналогичных микросхем стало началом конца дискретной схемотехники аудиотехники.

Непрекращающиеся эксперименты в области конструирования операционных усилителей для качественного звуковоспроизведения привели к появлению Hi-End моделей. В 1980–1990 компаниями Burr-Brown, Analog Devices, Linear Technology было создано новое поколение сверхкачественных ОУ: OPA627, AD797, LT1028 и других. Эти микросхемы имели совершенную схемотехнику, были относительно дороги и использовались в дорогой качественной аппаратуре.

Но не операционными усилителями едиными микроэлектроника порадовала конструкторов аудиотехники: усилители мощности тоже стали интегральными… До 1970-х годов почти все усилители мощности — ламповые или транзисторные. Но всё изменилось с появлением сначала гибридных, а затем полностью интегрированных микросхем усилителей мощности. Эти электронные приборы были компактны, дёшевы и чрезвычайно надёжны. В 1970–1980 появились гибридные усилители STK от Toshiba и Sanyo, интегрированные TDA и LM от STMicroelectronics и National Semiconductor. Эти устройства быстро «взяли в свои руки» производство музыкальных центров, телевизоров, автомагнитол и массовой Hi-Fi аппаратуры.

В 1990 National Semiconductor выпустила микросхемы LM3875 и LM3886. Неожиданно оказалось, что усилитель с простой схемой на одной микросхеме звучит качественно. Эти и некоторые другие модели усилителей подхватили частные производители Hi-End аудиотехники, к примеру, японская 47 Laboratory. Полностью интегральные усилители «разделяли» философию компании, пропагандировавшей схемотехнический минимализм, минимально короткий путь прохождения сигнала и качественное питание.

Помимо классических линейных усилителей классов A и B, есть и т. н. «цифровые», или, вернее, дискретные усилители класса D. В них выходные транзисторы работают исключительно в режиме переключения, формируя на выходе сигнал, напоминающий сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Пройдя через фильтр нижних частот, выполняющий функцию интегратора, выходной сигнал обретает исходную форму входного, но с сильно увеличенной мощностью.

Удивительно, но усилители класса D появились сравнительно давно — в 1950-х. В 1955 году британский инженер Алек Ривз описал принцип «переключающего усилителя», который впоследствии и стал классом D. Позже, в 1960-х появились первые экспериментальные схемы; в 1970-х стали появляться первые коммерческие устройства. Но прорыв произошёл только в конце 1990-х – начале 2000-х с появлением современных высокоскоростных полевых транзисторов. Усилитель этого класса критичен к характеристикам выходных транзисторов и применение «тугих» транзисторов и, сохрани Бог, электронных ламп ни к чему хорошему не приведёт. Кроме этого, высокий уровень шумов, искажений и сложность фильтрации долго не давали усилителям широкого распространения.

Второе рождение D-классу дала современная элементная база и цифровое управление. Сегодня немало производителей выпускают только такие аудиоусилители, многие модели стали популярны, к примеру, от компании Hyper.

Усилители класса D обладают высокой выходной мощностью, экстремально низким тепловыделением и, конечно же, эффективностью.

А теперь немного затронем тему аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразования. Устройства, выполняющие эти функции, соединяют два мира: мир аналоговых и мир дискретных сигналов, или, если хотите, позволяют физическому миру непрерывных величин обмениваться информацией с компьютерами. Без АЦП и ЦАП было бы невозможным создание проигрывателей компакт-дисков, потоковое воспроизведение музыки, студийная запись, цифровая обработка сигналов (DSP), портативные устройства (смартфоны, ноутбуки), цифровая связь, интернет, современные высокопроизводительные компьютеры и, наконец, искусственный интеллект.

До 1950-х электроника была аналоговой. Электрические сигналы усиливались, фильтровались, записывались и передавались исключительно в непрерывной (то есть аналоговой) форме. Вычислительные машины того времени тоже были аналоговыми (суммировали не двоичные числа, а аналоговые величины, к примеру, напряжения). Но с развитием вычислительной техники стало ясно, что цифровое представление информации имеет огромные преимущества перед аналоговым: устойчивость к шуму и помехам, точность вычислений, возможность хранения, передачи без потери и другие. Развитие цифровой вычислительной техники вынудило инженеров разрабатывать интерфейсы преобразования аналоговых величин в цифровые и обратно.

Первые ЦАП появились в 1950-х в военной и вычислительной технике. Их применяли в радарах, системах наведения ракет, телеметрии и аналоговых вычислителях траекторий полёта снарядов. Первые ЦАП, как ни странно, были примитивны: имели низкое разрешение, оказались громоздкими и ненадёжными. Ни о каких микросхемах речь ещё не шла и ЦАП строились на резистивных матрицах, требующих высокой точности номиналов и прецизионные источники опорного напряжения.

В 1970-х годах стали разрабатываться и появляться на рынке интегральные ЦАП. Ключевыми компаниями в этой сфере стали Analog Devices, Burr-Brown и европейская Philips. В 1980-х компания Burr-Brown стала лидером Hi-End ЦАП. С её лёгкой руки появились PCM53, PCM58, PCM63, PCM1704 и другие знаменитые модели. Они стали культовыми благодаря невероятной «музыкальности» и «аналоговости» их звучания, которую с лёгкостью путают со звучанием действительно аналогового источника, к примеру, проигрывателя виниловых дисков. Многие фанаты качественного звука до сих пор считают PCM63 и PCM1704 вершиной развития цифрового звука.

В 1982 году компании Sony и Philips представили миру формат хранения музыки Compact Disc. Удобный, небольшой, лёгкий и дешёвый носитель быстро завоевал весь мир. Благодаря ему (и недорогим ЦАП-ам) стало возможным массовое изготовление стационарных и портативных проигрывателей дисков, что открыло новую индустрию: аппаратуры и записей.

Первые массовые ЦАП имели жёсткое, резкое звучание с отчётливым оттенком «цифры». Причиной этого были низкая разрядность, высокий джиттер, несовершенство фильтрации конечного сигнала от стробирующих импульсов и множество других. Но прогресс шёл…

В 1980–1990 в ЦАП появились многие технологии, призванные улучшить качество преобразования: передискретизация, цифровая интерполяция и цифровое шумопонижение. Это резко улучшило качество звучания. Компании NPC, Crystal Semiconductor, Yamaha разработали более совершенные цифровые фильтры для CD-аудио.

В 1990-х начался переход к новейшим ЦАП с сигма-дельта преобразованием. Новый подход позволил сделать ЦАП дешевле, компактнее, проще в производстве, расширил динамический диапазон. Вместо прецизионных резисторов сигма-дельта ЦАП используют сложный математический аппарат обработки сигнала, который было невозможно реализовать в ранних ЦАП. Главными производителями сигма-дельта ЦАП стали ESS Technology, AKM, Cirrus Logic, Wolfson Microelectronics.

ЦАП от ESS, такие как ES9018 и ES9038 PRO стали популярны благодаря экстремальной детализации звучания, низкому уровню искажения и широкому динамическому диапазону. В это же время AKM разработала собственные ЦАП и сделала ставку на плавность, музыкальность и мягкость звучания, так напоминающую ламповое звучание техники 1950–1960.

Развитие АЦП шло параллельно с ЦАП. Первые АЦП 1950–1960 были исключительно военной разработкой. С годами АЦП последовательного приближения стали популярны благодаря сбалансированной скорости и точности преобразования. Они стали массово использоваться в измерительной технике, промышленном оборудовании и аудиотехнике. АЦП прямого преобразования были чрезвычайно быстрыми и… дорогими. Использовались в дорогих осциллографах, телекоммуникационном и военном оборудовании. В 1990-х вместе с ЦАП появились и сигма-дельта АЦП. Удивительное сочетание широкого динамического диапазона и высокой точности позволили использовать этот тип АЦП со студийным оборудованием и уйти от аналоговой записи сигнала на магнитную ленту. В 1990–2000 появились форматы хранения музыки высокого разрешения с разрядностью 24 бит, 96/192 кГц. Это позволило резко снизить шум от АЦП/ЦАП преобразования и довести качество цифрового звука если не до совершенства, то запредельно высокого уровня и улучшить качество записи.

AK5394 стал поистине легендарным, а PCM4202 самым популярным АЦП для студийного оборудования. В более массовой профессиональной технике нашёл своё «пристанище» CS5381, который стал синонимом преобразования практически без потерь.

Удивительно, но в мире аудиотехники, как и во всех сферах жизни, всё циклично. Электронные лампы были популярны в середине прошлого века и сохраняют популярность сегодня; также сейчас, имея работающие сигма-дельта ЦАП и АЦП, любители качественного цифрового звука обратили взор на архаичные резистивные ЦАП, которые собираются на современных прецизионных компонентах, недоступных в прошлом веке. Звучание таких схем считается более «аналоговым». В более «гражданской» аудиотехнике отдельные микросхемы ЦАП и АЦП встретить уже сложно, так как их функционал выполняют комбинированные микросхемы, объединяющие АЦП/ЦАП, сигнальный и управляющий процессоры. Это позволяет упростить и удешевить производство техники.

Генератор сигналов без осциллографа — деньги на ветер. Цифровой осциллограф если ещё не стал лучшим другом, то должен. Проектировать, ремонтировать и настраивать электронику сложнее «утюга», как правило, требует осциллографа в качестве визуализатора происходящих процессов. Он помогает увидеть наличие и форму тактовых импульсов, работу преобразователей напряжения, процессоров и микроконтроллеров, прохождение (или непрохождение) аналоговых и цифровых сигналов, уровни напряжения и тока и много чего ещё. В зависимости от потребностей подбирайте осциллограф под свои нужды, а для начала берите что-то проверенное тысячами инженеров. К примеру, Rigol DS1054Z, которым пользуются даже профессиональные разработчики электроники, а для новичков этот осциллограф будет великолепен. Вам его «хватит» если не на всю жизнь, то на много лет точно. Автор рекомендует!

Операционные усилители — компоненты, присутствие которых пользователь чаще всего даже не замечает. Но от них во многом зависит, будет ли звук «живым» или «плоским». Изначально созданные для аналоговых вычислительных машин, они быстро нашли своё место в аудиоцепях — и со временем превратились в один из ключевых инструментов инженеров, позволяющий тонко управлять характером звучания.

Часто звучит мнение, что та или иная аудиотехника «звучит», или же, напротив, «не звучит». Так вот, если хотите, чтобы техника звучала, ставьте в неё операционный усилитель OPA627. Его ценят за яркую «музыкальность», плавность подачи и полное отсутствие жёстких гармонических искажений. Звучание мягкое, приятное, воспринимаемое как «дорогое». Применение этого операционного усилителя в студийной и Hi-End аудиотехнике распространено, особенно в технике, рассчитанной на работу с чистым вокалом (конденсаторные микрофоны и предусилители) и акустической оркестровой и джазовой музыкой. Звучание частот, характерных человеческому голосу, живое, объёмное и эмоциональное. Но даже несколько излишняя мягкость и «романтичность» несколько не подходят для акустически точного студийного оборудования (микшерные пульты), в которых OPA627 применяется с осторожностью.

А вот AD797 как раз является противоположностью OPA627. Звучание его аналитически точное, с чёткой передачей всех микродеталей звука. Детальность — его «конёк». Прослушивание записи с качественного источника позволит вам услышать дыхание вокалиста, шорох струн басовых инструментов, мельчайшие нюансы звучания перкуссионных инструментов. Атака быстрая, резкая и практически мгновенная. Характеристики звучания этого операционного усилителя подходят для применения его в составе студийного оборудования для микширования, сведения и записи музыки любых жанров. Но излишняя «профессиональность» не даёт AD797 полностью раскрыться в домашней аппаратуре.

Классика жанра. Операционный усилитель «всех времён и народов». Несмотря на почтенный возраст, NE5532 звучит как «молодой». Характер звучания определяется как «музыкальный», плотный и уверенный. Средние частоты насыщены, низкие плотные. Но высокие частоты слегка приглушены, делая звук не резко ярким, а чуть расслабленным и комфортным. Этот операционный усилитель подходит для практически всех жанров музыки, но инструментальный блюз, джаз и неагрессивный рок — раскрываются.

Относительно современный операционный усилитель. И звучание соответствует: детальность, точность и скорость атаки. Высокие, средние и низкие частоты звучат ровно, честно и контролируемо. Некоторые ругают такое звучание за излишнюю «стерильность», но так и звучит современная музыка, преизобильная тонами электронных музыкальных инструментов.

OPA1612 — один из совершенных операционных усилителей современности для аудиотехники. Звук, им формируемый, прозрачен, динамичен и нейтрален. Отсутствует сухость и куцесть. По заверению специалистов из областей электроники и акустики OPA1612 объединил точность звучания AD797 с детальностью LME49720. ОУ способен передать нюансы звука, все микроатаки и послезвучия. Звучание низких частот плотное с мощной подачей. OPA1612 часто используется в «свежей» аппаратуре: как в студийной, так и в концертной.

Усилители мощности — сердце любой аудиосистемы: они придают сигналу необходимую энергию, чтобы динамики оживили музыку. От характеристик усилителя напрямую зависят масштаб звучания, динамика, разборчивость баса и общая эмоциональная подача — поэтому выбор подходящей схемы и микросхемы здесь особенно важен.

Одноканальный усилитель мощности LM3886 — один из самых популярных. Он встречается в профессиональной аппаратуре и в DIY-проектах. Микросхема имеет выходную мощность до 68 ватт при питании ±28 вольт и качественном отводе тепла. Звучание часто сравнивают со звучанием ламповых усилителей с их характерной плавностью и приглушённостью средних частот. Естественность звучания вокальных партий и эмоциональность акустических инструментов никого не оставит равнодушным. Конечно, некоторая медлительность подачи не позволяет использовать этот усилитель мощности для современных жанров музыки: на нём они будут звучать медлительно, а вот инструментальная музыка воистину раскроется во всю глубину. Цельный и ненапряжённый звук — цель создания LM3886.

Автор слышал мнение, что LM1875 — самый «ламповый» из интегральных усилителей. Звучание этого 20-ваттного одноканального усилителя мягкое, пластичное, словно текучее. Средние частоты фантастические: вокал, джаз, блюз и камерная музыка будут «валить с ног». Недостаток LM1875 — невысокая выходная мощность и сложность подбора подходящих усилителю акустических систем.

Классическая микросхема для построения домашних Hi-Fi аудиосистем невысокой стоимости. TDA7294 продаётся в виде отдельных микросхем и в виде готовых одно- и двухканальных модулей, которым требуется питание и радиатор, чтобы выдать все свои 100 ватт выходной мощности. Звучание массивное, жирное, насыщенное; низкие частоты тяжелы и энергичны, но высокие несколько грубы. Определённо высокая выходная мощность позволяет применять эту микросхему для построения усилителей мощности сабвуферов. Характер звучания тяготеет к тяжёлым жанрам музыки, таким как рок, метал, электронная музыка и, как ни странно, озвучивание современного кино: виной всему отсутствие эмоциональной окраски звучания, формируемого TDA7294.

Hypex NCore

Ncore — это технология усилителей мощности класса D, разработанная нидерландской компанией Hypex Electronics. Усилители, построенные по этой технологии, считаются одними из самых качественных в классе D. Часто они встречаются в Hi-Fi аппаратуре, в качестве усилителей мощности студийных звуковых мониторов и другой различной активной студийной и концертной акустике.

Специалистам Hypex Electronics удалось преодолеть шум и искажения звука, присущие всем усилителям D-класса. Сегодня их «топовые» модели имеют коэффициент гармонических искажений около 0,001%, что лучше многих транзисторных усилителей и на два порядка лучше ламповых. Вся эта «красота» сочетается с коэффициентом полезного действия около 90%, и близко недостижимого для усилителей класса A и даже B.

Основной «фишкой» Ncore является глубокая обратная связь и микропроцессорное управление, которое на основании сигнала обратной связи корректирует работу блока переключения выходных транзисторов.

Уже почти всё есть. Что осталось? Правильно — паяльник! Отличное паяльное оборудование легко подобрать под свои задачи. Профессионалам ничего рекомендовать не буду — всё найдёте сами, но если вы не знаете, что выбрать, то смотрите универсальные паяльные станции, имеющие «на борту» всё для паяльных работ. А остальное докупите в процессе, когда поймёте, что нуждаетесь в дополнительном оборудовании, выбор которого в магазине Суперайс огромен.

ЦАП и АЦП — это невидимые мосты между цифровым и аналоговым мирами: они определяют, насколько точно «сухие» единицы и нули превращаются в ту самую «живую» музыку — и наоборот. От качества преобразования зависит буквально всё: детальность, динамика, естественность тембров и даже ощущение пространства — будто вы слышите не запись, а само выступление в зале.

PCM1704 — вершина «цапостроения» эпохи резистивных ЦАП. Многие инженеры и любители качественного звука считают PCM1704 одним из лучших ЦАП в истории цифрового аудио.

Если кратко, то PCM1704 — прецизионный мультибитный резистивный ЦАП, со сложной технологией производства, которая на момент создания была передовой. Каждый кристалл микросхем проходил аппаратный контроль параметров, лазерную калибровку сопротивлений резисторов, чтобы добиться высокой точности преобразования.

Это был один из последних и самых совершенных массово выпускаемых резистивных ЦАП. Звучание его «аналогово» (определить, что источник сигнала цифровой на слух почти невозможно), естественно и телесно. Вокал, акустические инструменты, джазовая и классическая музыка звучат божественно! Звук плотный, насыщенный, эмоциональный; структура и мельчайшие нюансы звучания передаются с высокой точностью. Конечно, более современные ЦАП звучат не хуже, но PCM1704 — это легенда.

Если PCM1704 — легенда резистивных ЦАП, то ES9038PRO — легенда ЦАП дельта-сигма — один из самых технически совершенных ЦАП в мире. Разрядность 32 бит, огромный динамический диапазон, сверхнизкий коэффициент гармонических искажений и уровень джиттера и, главное, экстремально прозрачное и детальное звучание! Детальность неимоверная: слышны мельчайшие нюансы, микровибрации, шорохи кабелей об пол студии и другие еле уловимые моменты. Высокие частоты ярки, средние массивны, а низкие — быстры и контролируемы.

Сложность ЦАП-а требует точного электропитания и разводки печатной платы, иначе все достоинства сойдут на нет, предложив слушателю утомительный и плоский звук.

По праву AK5394 — один из самых «музыкальных» студийных АЦП. AK5394 долго считался эталоном профессиональной записи. Его использовали в студийном оборудовании для оцифровки мастер-лент и виниловых дисков и в Hi-End оборудовании. Особенностью его звучания стала «музыкальность» с живой натуральной среднечастотной областью. Мягкие, но детальные высокие частоты и сочные низкие придавали звучанию реалистичность. Оцифрованный сигнал сохраняет чувственность исходного сигнала с компонентами, передающими характеристики помещения: его размеры, высоту потолков, акустические параметры и т. д.

Если вы спросите, какой АЦП самый точный, то профессионалы ответят, что PCM4202. Этот АЦП применяют в профессиональном мастеринге аналоговых записей, измерительной технике и прецизионной аппаратуре. Характер его звучания — точный, прозрачный и нейтральный. Детализация высока, даже чрезмерно. Микродинамика, атака передаются великолепно. Звучание всех частот ровное, линейное, без выпячивания какой-то области. Это и стало его плюсом и минусом одновременно: «студийное», холодное звучание PCM4202 плохо подходит для применения вне профессиональной сферы. Окраска звука минимальна.