Что такое перегрузочная способность усилительного каскада и как она отражается на музыкальности.

[shurik_pronkin]

Любой усилительный каскад рассчитан на определённый уровень входного сигнала — номинальный. Но в реальной жизни никто и никогда не гарантировал, что сигнал будет именно таким. Ещё в эпоху радиовещания инженеры столкнулись с проблемой: певец подошёл ближе к микрофону, оркестр ударил форте — и уровень на входе усилителя оказался заметно выше расчётного. Что произойдёт с каскадом в этот момент — вот это и есть перегрузочная способность. Не «максимальный сигнал, который можно подать» (это другая история), а то, как каскад себя ведёт, когда его уже перекормили, но ещё не убили окончательно.

Чтобы понять разницу между хорошей и плохой перегрузочной способностью, представьте себе ванну. Обычную, бытовую, с переливным отверстием — той самой дыркой в стенке ближе к верхнему краю. Вы забыли закрыть кран. Вода поднимается, доходит до перелива — и начинает потихоньку уходить в слив. Ванна не переполняется, пол сухой, вы даже не сразу заметите, что уровень чуть превышен. Теперь представьте такую же ванну, но без перелива — глухие стенки до самого верха. Вода поднимается тихо-тихо, всё нормально, всё нормально — и в какой-то момент разом хлещет через край на пол, на тапки, на соседей снизу. Объём лишней воды в обоих случаях может быть одинаковым — последствия принципиально разные.

Ванна с переливом — это ламповый каскад. Ванна без перелива — транзисторный.

Теперь к физике. Когда активный элемент каскада — лампа, транзистор, операционный усилитель — получает на вход сигнал выше номинального, он начинает выходить из линейной области характеристики. И вот тут обнаруживается различие, связанное не с качеством деталей, а с самой природой этих элементов.

У лампы анодная характеристика «загибается» плавно. При нарастании входного сигнала лампа не обрывает усиление в одной точке — она начинает потихоньку компрессировать, поджимать верхушки, сглаживать пики. Как вода в нашей ванне — доходит до перелива и мягко стравливается. В спектре при этом появляются в основном чётные гармоники (вторая, четвёртая) — а чётные гармоники для слуха вещь не раздражающая, они придают звуку плотность, теплоту, «мясо». Обратите внимание: каскад уже перегружен, сигнал уже превышает норму — а звук не разваливается. Он становится гуще, плотнее, компрессированнее — но остаётся узнаваемым по форме. Можно сказать, что лампа при перегрузке не ломается, а «загустевает».

С транзистором — другая картина. Биполярный транзистор при превышении входного уровня резко влетает в насыщение или в отсечку — тут без промежуточных состояний. Полевой упирается в предел по напряжению или току. Операционный усилитель — в «рельсы» питания или в ограничение скорости нарастания (slew rate) — это то, насколько быстро усилитель физически способен менять выходное напряжение. Если входной сигнал требует бОльшей скорости, чем позволяет slew rate, форма сигнала искажается даже без превышения по уровню — просто усилитель не успевает за фронтами. Но вернёмся к основной перегрузке — по амплитуде. Транзисторный каскад в момент перегрузки не «загустевает» — он обрезает. Верхушка синусоиды тупо срезается, как ножом. В спектре тут же вырастает лес нечётных гармоник — третья, пятая, седьмая — а нечётные гармоники звучат жёстко, колко, неприятно. Звук мгновенно становится сухим, хрустящим, нервным. Вспомните нашу ванну без перелива — не было проблем, не было проблем, и вдруг сразу потоп.

Поэтому перегрузочная способность — это не про «сколько вольт можно подать на вход», а про характер перехода из нормального режима в ненормальный. Мягкое насыщение с чётными гармониками — или жёсткий обрыв с нечётными. Если каскад на лампе 6Н2П перегрузить на 6 дБ выше номинала — он спокойно отработает пик, чуть поджав макушку, и вернётся обратно. Тот же перебор на входе каскада с биполярным транзистором типа BC547 — и вы услышите щелчок, хруст, артефакт. Запас по перегрузке у обоих может быть формально одинаков в децибелах — а практический результат несопоставим.

Для аудио это критично, потому что музыкальный сигнал — это сплошные кратковременные импульсы выше номинала: удары, атаки, транзиенты. Каскад с хорошей перегрузочной способностью переваривает их без слышимых последствий, а каскад с плохой — огрызается на каждый пик. Именно поэтому ламповые входные каскады до сих пор ценятся в микрофонных предусилителях, фонокорректорах, студийных компрессорах — везде, где уровень входного сигнала заранее неизвестен и скачет непредсказуемо.

Но (!) тут возникает парадокс. Если лампа так хороша при перегрузке — почему вся измерительная техника давно на транзисторах? Ответ короткий: потому что для измерений мягкая перегрузка — не достоинство, а проблема. Вернёмся к нашей ванне. Для квартиры перелив — спасение. Но если вы измеряете точный уровень жидкости, перелив незаметно стравливает лишнее — и прибор показывает «норма», хотя вы давно налили больше. Показания правдоподобные, но неверные. А ванна без перелива, где вода хлещет на пол — сразу сигнализирует: данные недостоверны. Для метрологии честный срыв ценнее красивого замыливания. Поэтому транзистор в измерительной технике выбрали не вопреки жёсткой перегрузке, а благодаря ей.

В итоге перегрузочная способность — это не хорошо и не плохо. Это характер каскада. В аудио важно, как схема ведёт себя после ошибки — и тут лампа выигрывает безоговорочно. В измерениях важно, чтобы схема ошибку не прятала — и тут транзистор незаменим.