Ayre Acoustics: фирменные технологии
В недавнем обзоре, посвященном американскому бренду Ayre Acoustics, мы рассказали об истории компании, ее философии и нестандартных инженерных подходах: например, полностью балансные схемы с нулевой обратной связью, а также минимально-фазовые цифровые фильтры собственной разработки. Однако из-за обилия материала мы, упомянув фирменные технологии Ayre, практически не останавливались на деталях их реализации, упустив много интересного. В этой статье мы постараемся исправить это упущение.
Фильтрация помех в блоках питания и Ayre Conditioner
Ayre всегда придавала конструкции блоков питания особое значение, применяя сделанные на заказ трансформаторы с El-сердечником и специальные индуктивные фильтры, очищающие сигнал из сети переменного тока от помех. Основатель и главный конструктор Ayre Чарльз Хансен объясняет, что индуктивные фильтры можно разделить на два типа по положению индуктивности относительно фильтрующего конденсатора. В наиболее распространенном типе фильтров применяется дроссель, стоящий после конденсатора. Хансен же в первых продуктах компании использовал индуктивный фильтр с дросселем перед конденсатором. В принципе, обе схемы одинаково отсекают на входе высокочастотные шумы, но второй метод позволяет плавно "подкачивать" заряд конденсатора с помощью энергии магнитного поля, запасенной в катушке индуктивности. В противном случае конденсатор будет заряжаться короткими токовыми импульсами, передавая в схему новые помехи.
Выбор правильной большой катушки индуктивности для входных фильтров Ayre практически удваивал стоимость блока питания, но компания шла на это ради качества звучания. В дальнейшем Хансен подошел к проблеме входного фильтра с другой стороны, усовершенствовав усилительные каскады. В современных продуктах Ayre для ослабления помех со стороны блока питания используется схема "токового зеркала", применение которой улучшило подавление помех на 60 дБ.
Тем не менее, индуктивные фильтры в продуктах компании все еще используются, превратившись в фирменную технологию Ayre Conditioner. Сегодня эти фильтры радиочастотных помех применяются Ayre во всех устройствах и часто не в единичных экземплярах. Технология эксплуатирует известное свойство сердечников, переводящих энергию высокочастотных помех в тепло. Идея, конечно, не нова, однако другие производители делают сердечники из магнитных материалов наподобие феррита. В этом, по мнению инженеров Ayre, и кроется подвох, так как сердечники, намагничиваясь со временем, меняют характеристики фильтров, ограничивая их эффективность. Поэтому фильтры Ayre Conditioner не содержат магнитных элементов.
Еще одно достоинство Ayre Conditioner ‒ фильтр не понижает максимальный ток блока питания. Некоторые схемы "кондиционеров" питания могут хорошо очищать звук на верхних частотах, ограничивая звуковую атаку на басах, фильтры Ayre лишены этого недостатка.
Стабилизаторы напряжения AyreLock
Стабилизация напряжения в блоках питания подавляющего числа аудиокомпонентов осуществляется с помощью стандартных трехпиновых микросхем, которые имеют один значительный недостаток: в зависимости от типа (последовательный или параллельный стабилизатор) они могут либо понижать, либо повышать напряжение на выходе, не являясь идеальными регуляторами. Третий тип, импульсный стабилизатор, в принципе, может быть универсальным регулятором напряжения. Кроме того, он работает эффективнее, выделяя заметно меньше тепла по сравнению с линейными стабилизаторами. Однако импульсные стабилизаторы являются источниками радиочастотных помех, поэтому не слишком подходят для блоков питания усилителей звуковой частоты.
Вполне логично, что радикальные подходы Ayre к качеству схемотехники усилителей не могли мириться с описанными недостатками, поэтому компания разработала собственные стабилизаторы напряжения, дав технологии имя AyreLock. Стабилизатор представляет собой двухтактную схему с нулевой обратной связью, собранную из дискретных транзисторов. Главное достоинство стабилизатора AyreLock ‒ возможность регулировки напряжения в обе стороны с быстрой и аккуратной его фиксацией на требуемом уровне. Совместно с фильтрами Ayre Conditioner, регуляторы AyreLock обеспечивают чистое и постоянное питание аудиоустройств.
Технология Variable Gain Transimpedance
Технология Variable Gain Transimpedance (VGT), разработанная для регулировки громкости, впервые была представлена в топовом предварительном усилителе Ayre KX-R в 2008-м году. По-русски VGT расшифровывается как трансимпедансная схема с переменным коэффициентом усиления. Если в качестве активного элемента применяется полевой транзистор, получается усилитель тока, управляемый входным напряжением. Затем этот ток надо снова перевести в напряжение, для чего обычно используется резистор. То есть получается усилитель напряжения, управляемый током, ‒ термин трансимпедансный усилитель означает ровно это.
В стандартных усилителях аттенюатор (обычно это потенциометр), регулирующий уровень сигнала, устанавливается между входом устройства и каскадом усиления постоянного уровня. Инженеры Ayre переместили аттенюатор в каскад усиления, где вместо постоянного резистора используется переменный, точнее наборы прецизионных резисторов на дисковых переключателях Shallco, оснащенных серебряными контактами. Такой подход обещает несколько преимуществ:
1) входной импеданс устройства теперь не определяется блоком аттенюатора, его можно сделать достаточно большим, чтобы частотный отклик устройства не менялся с изменением громкости; например, входной импеданс предусилителя Ayre KX-R достигает 1 МОм на каждую фазу балансного сигнала, а рабочая полоса протирается до 250 кГц;
2) предварительный усилитель имеет постоянное отношение сигнал/шум, не зависящее от уровня громкости. Последний факт можно пояснить следующим образом: в традиционном предусилителе шум каскада усиления можно принять постоянным, поэтому наилучшее отношение сигнал/шум достигается на максимальной громкости. На средней же громкости, комфортной для слушателя, соотношение сигнал/шум ухудшается на несколько десятков децибел,потому что сигнал уменьшен пользователем, а шум каскада остался прежним.
Таким образом, использование технологии VGT не только заметно улучшает отношение сигнал/шум предварительных усилителей Ayre, но делает их не столь чувствительными к выходным параметрам источников (уровень сигнала, импеданс). Любопытно, что с помощью VGT можно вообще отменить секцию предварительного усиления. Так сделан интегрированный усилитель Ayre AX-5, в котором схема VGT оригинально встроена в каскад мощности. И еще, инженеры Ayre подчеркивают, что реализация технологии VGT работает только в схеме с нулевой отрицательной обратной связью ‒ фирменным подходом Ayre с первых дней ее истории.
Технология Equilock
По назначению технология Equilock сходна с описанной выше AyreLock: задача одна и та же ‒ стабилизация напряжения. Только AyreLock фиксирует напряжение в линии питания, а Equilock занимается тем же в каскаде усиления. Впервые Equilock появилась в моноблоках референсной серии Ayre MX-R в 2007-ом году, а затем перекочевала во все современные усилители компании. Когда усиливающий транзистор меняет ток на нагрузке, параметры транзистора также не остаются совершенно стабильными. Прежде всего "гуляет" напряжение на транзисторе, вызывая мелкие нелинейности выходного сигнала. Являясь модификацией каскодной схемы, технология Equilock добавляет в цепь дополнительный транзистор, включенный между нагрузкой и основным активным элементом. Задача второго транзистора ‒ удерживать постоянное напряжение на главном транзисторе. При этом значение напряжения ‒ вопрос тонкой настройки, подбирается на слух разработчиками Ayre в ходе продолжительных тестовых сессий. Благодаря технологии Equilock каскады усиления Ayre всегда работают в оптимальном режиме с минимальными искажениями.
Выходной каскад Diamond
Фирменный выходной каскад Ayre произошел от схемы «алмазный буфер», запатентованной в 60-ых годах прошлого века профессором Массачусетского Технологического Института Ричардом Бейкером. Свое громкое имя буфер получил вовсе не из-за «бриллиантовых» характеристик, а потому что в рисунке схемы из патента Бейкера можно было усмотреть вид алмазной кристаллической решетки. С технической же точки зрения схема буфера представляет собой два последовательно включенных эмиттерных повторителя, комплементарных и соединенных перекрестно.
Сегодня вариации «алмазного буфера» часто встречаются в интегральных микросхемах, где буфер действует как усилитель выходного тока, помогая чипу усилителя справляться со сложной нагрузкой. В дискретных схемах Hi-Fi/High-End усилителей «алмазный» буфер, наоборот, встречается достаточно редко, ограничившись применением в предварительных усилителях. Недостаток этой схемы заключается в том, для правильной работы ей необходим транзистор-драйвер такой же как выходной транзистор. Поэтому, если нужен достаточно мощный усилитель с выходом на основе «алмазного буфера», потребуются транзисторы с большим током, плюс повышенные требования к блоку питания, предваряющим каскадам и серьезное охлаждение – серьезные трудности, отпугивающие от «алмазного буфера» большинство конструкторов High-End аудиотехники. С другой стороны, «алмазный буфер» привлекателен простотой, высоким коэффициентом усиления тока, низкими шумами и искажениями, низким выходным импедансом. Кроме того, архитектура «алмазного буфера» обладает свойством разделять обе фазы звукового сигнала без всяких связывающих цепей, не внося искажения в форму сигнала на выходе усилителя, что идеально соответствует принципам балансной архитектуры Ayre.
Заметим, что для своих задач Ayre усовершенствовала изначальную схему буфера, так что фирменный каскад Diamond Output состоит минимум из трех последовательных эмиттерных повторителей, включающих 6 биполярных транзисторов. А в выходных каскадах современных усилителей мощности Ayre используется модифицированная схема Double Diamond, удваивающая количество активных элементов в контуре. Модификация выходного каскада не столько отразилась на его мощности, лишь слегка увеличив ее, зато Double Diamond значительно (примерно на 20º С) охладил выходной каскад, еще больше увеличив запас выходного тока и улучшив контроль мощности усилителя на низких частотах.
Цифровые минимально-фазовые фильтры Ayre
В обзоре по истории и философии бренда Ayre Acoustics мы упоминали о разработке собственных МФ (минимально-фазовых) фильтров, выполненных на программируемой матрице логических элементов (FPGA). Между тем применение этой технологии в цифро-аналоговых преобразователях является визитной карточкой компании и заслуживает дальнейших пояснений. Интересна и сама эволюция цифровых фильтров, применявшихся в ЦАПах Ayre в разное время. Тем более что на сайте Ayre есть сравнительный материал, на графиках поясняющий отличия в характеристиках традиционных фильтров и МФ-фильтров компании.
Почему конструкторы Ayre были недовольны существующими моделями цифро-аналоговых конвертеров? В индустрии в 99% случаев используются разновидности линейно-фазовых цифровых фильтров, которые не дают скачков фазы (потому и называются линейно-фазовыми) и очень хорошо измеряются, записывая в паспорт прибора красивые цифры искажений со многими нулями перед первой значащей цифрой. Однако линейности фазы такие фильтры достигают за счет появления в переходных характеристиках импульсов артефактов в виде затухающих колебаний. Причем, если небольшие временные искажения сигнала позади импульса (пост-эхо) субъективно выглядят вполне натурально, смешиваясь при воспроизведении реальной музыкальной записи с послезвучанием, то подобные искажения перед импульсом (пре-эхо) выглядят совершенно неестественно ‒ в природе звука такого не бывает, так как следствие не должно предварять причину. Поэтому самые распространенные в индустрии ступенчатые цифровые фильтры (brickwall), отличающиеся почти отвесным спадом АЧХ и имеющие примерно по 10 затухающих циклов пре- и пост-эхо звучат, по мнению конструкторов Ayre, недостаточно натурально.
Первой идеей борьбы со "звоном" в переходных характеристиках было использование линейных цифровых фильтров с более медленным спадом АЧХ (slow roll-off). Такой фильтр на порядок уменьшает количество циклов звона, но взамен ограничивает рабочий диапазон в области самых высоких частот. Долгое время Ayre применяла в ЦАПах именно такие фильтры, считая, что их музыкальность ‒ достойная плата за незначительное уменьшение рабочей полосы. В старых проигрывателях Ayre предлагала оба метода цифровой фильтрации, позволяя выбрать меломану тот, который нравится больше. Ступенчатый фильтр включался программой Measure (для измерений), а фильтр "slow roll-off" ‒ программой Listen (для прослушивания).
Исследовался Ayre и экзотический, но превозносимый отдельными аудиофилами, подход с цифро-аналоговым преобразователем без выходного цифрового фильтра. В теории такой ЦАП дает идеальные переходные характеристики звука, но практика, как обычно, вносит свои коррективы. Воспроизведение становится сильно зависимым от выбора компонентов аудиосистемы, кроме того возникновение в спектре паразитных копий сигнала на частотах, кратных частоте дискретизации, может приводить к серьезному росту негармонических искажений на высоких частотах (до 50% на 20 кГц). Иначе придется все равно использовать на выходе фильтр, но уже дорогой аналоговый. В общем, специалисты Ayre посчитали, что в случае ЦАП без цифрового фильтра потенциальные преимущества подхода не покрывают его недостатки, особенно если брать воспроизведение формата CD-записей.
В 2004-ом году в журнале AES (Общество Инженеров-Звукотехников) появилась статья Питера Крейвена, предлагающая новый вид цифровых фильтров минимально-фазового типа, названных аподизирующими (apodizing). В принципе, подобные фильтры могут полностью решить проблему ненатурального звона, предваряющего звуковой импульс. Современные минимально-фазовые фильтры Ayre были разработаны в сочетании алгоритмов Питера Крейвена и многолетнего опыта использования фильтров "slow roll-off". Они с одной стороны полностью искореняют предварительный звон, а с другой ослабляют пост-эхо.
Вот только минимально-фазовые алгоритмы цифровых фильтров не включены в стандартный опцион, предлагаемый распространенными микросхемами ЦАП. Поэтому Ayre пришлось пойти по сложному пути, создав собственные фильтры на базе упомянутых матриц FPGA. Не изменяя себе, компания по-прежнему дает слушателю самому выбрать устраивающий цифровой фильтр: аподизирующий алгоритм Крейвена или улучшенный МФ-фильтр "slow roll-off".
Эксклюзивный дистрибьютор Ayre Acoustics в России - компания En-Trade Distribution.
