Hi-Fi Skolen del 7

I den aller første delen av Hi-Fi-skolen lærte vi forsterkeren å kjenne utenpå – alle knappene, inngangene og utgangene. I skolens syvende leksjon kommer vi tilbake til gjerningsstedet og ser på hva som foregår inne i forsterkeren.

Rør eller transistorer?

Forsterkere bygges etter to vidt forskjellige prinsipper: med radiorør eller transistorer som de forsterkende elementene. Begge teknologiene har sine egne styrker, svakheter og unike lydmessige fingeravtrykk.

Rørforsterkeren

Rørforsterkeren er den opprinnelige teknologien. Her sendes musikksignalet gjennom glødende elektronrør som fungerer som små forsterkere. Rørene må varmes opp for å fungere, og de har en begrenset levetid, men deres spesielle karakteristikker er høyt skattet av mange entusiaster.

En avgjørende komponent i nesten alle rørforsterkere er utgangstransformatoren. Rør jobber med en veldig høy impedans (tusenvis av Ohm), mens høyttalere har lav impedans (typisk 4–8 Ohm). Transformatoren fungerer som en elektrisk «gearkasse», som matcher de to og sikrer en effektiv effektoverførsel.

Denne transformatoren er ofte den dyreste og mest lyd-definerte delen av forsterkeren. Kvaliteten på den bestemmer i høy grad bassens tyngde og diskantens luftighet, og er en viktig kilde til rørforsterkerens unike lydsignatur.

Rørlyd

Når en rørforsterker presses til sin grense, begynner den typisk å forvrenge gradvis, men mykt. Denne myke kompresjonen kan være mer behagelig for øret enn den bratte forvrengningen fra mange transistorforsterkere.

Dessuten er den type forvrengning et rør produserer, sterkt avhengig av designen. Spesielt i enkle «single-endede» Klasse A-design dominerer de såkalte like harmoniske overtonene, som musikalsk er beslektet med grunntonen, og kan oppfattes som en tillagt varme og fylde. Det er denne klangkarakteren mange forbinder med den klassiske «rørlyden». I kraftigere «push-pull» rørforsterkere reduseres denne typen forvrengning, og her blir lyden ofte mer nøytral.

Transistorforsterkeren

Transistorforsterkeren bruker halvlederteknologi til å forsterke signalet. Transistorer er mer effektive, utvikler mindre varme, og kan levere store mengder kraft. I motsetning til radiorør, som slites ut ved bruk, har transistorer veldig lang levetid. De trenger ikke en utgangstransformator, og kan drive høyttalere direkte, noe som potensielt fjerner en kilde til farging av lyden.

Når en transistorforsterker presses til grensen, forvrenger den typisk brattere med «hard” klipping. Forvrengningen domineres av ulike harmoniske overtoner, som av øret kan oppfattes som hardere eller mer kliniske enn rørforvrengning.

Hybridforsterkeren

For å kombinere det beste fra begge verdener bygger noen produsenter såkalte hybridforsterkere. Her brukes typisk et rør i forforsterker-trinnet for å gi lyden ettertraktet varme og glød, mens det i effekttrinnet bruker transistorer til å levere rikelig kraft og solid kontroll over høyttalerne.

Et annet eksempel på det samme er når man i et forsterkersett med separate komponenter velger å bruke rør til forforsterkeren, men transistorer til effektforsterkeren.

Forsterkerklasser – effektivitet kontra lyd

Alle forsterkere er inndelt i klasser som beskriver den grunnleggende måten forsterker-komponentene (rør eller transistorer) jobber på. Selv om det finnes mange bokstaver i klasse-alfabetet, kan man forstå nesten alle forsterkere ved å kjenne de tre fundamentale prinsippene: klasse A, klasse AB og klasse D.

Disse tre representerer hver sin designfilosofi: fra den lydmessig kompromissløse, men ineffektive klasse A, over det utbredte og praktiske kompromisset i klasse AB, til den moderne og høyeffektive klasse D-teknologien.

Mens arbeidsprinsippene klasse A og AB brukes på både rør- og transistorforsterkere, er klasse D-forsterkere bare mulig med transistorteknologi.

Klasse A

I en klasse A-forsterker trekker de forsterkende elementene (transistorer eller rør) konstant en høy strøm. Også når det ikke spilles musikk.

Fordelen er ren og detaljert lyd, hvor man unngår den såkalte crossover-forvrengningen. Det er en type forvrengning som oppstår i klasse AB-kretsløp når signalet krysser nullpunktet, og et par transistorer skal overta fra et annet. I klasse A håndterer de samme transistorene hele signalet, så det er ingen «overlevering». Ulempen er høyt strømforbruk og en betydelig varmeutvikling.

En transistorbasert 2 x 50 watt klasse A-forsterker bruker typisk omkring 800 watt kontinuerlig fra strømnettet. Her skal hovedparten ledes vekk som varme. Som en kuriositet produserer en klasse A-forsterker faktisk minst varme når den spiller på full styrke, da en større – men stadig minimal – andel av effekten avsettes i høyttalerne.

Klasse AB

Selv om klasse A er elsket for sin klang, jobber de fleste klassiske transistorforsterkere i klasse AB. Her er forsterkerelementene bare delvis aktive i tomgang, og øker aktiviteten etter behov.

Dette er et kompromiss mellom klasse As lydkvalitet og praktiske hensyn som strømforbruk og varmeutvikling. Mange high-end klasse AB-forsterkere benytter dessuten en høy tomgangsstrøm (bias) så de reelt jobber i ren klasse A ved lave lydstyrker, for å kombinere det beste fra begge verdener.

En klasse AB-forsterker på 100 watt bruker typisk 20 watt på tomgang og opptil omkring 300 watt ved full belastning.

Klasse G og H

Utover hovedklassene A og B finnes det oppfinnsomme varianter som klasse G og H. De er i bunn og grunn optimerte klasse AB-design som forbedrer effektiviteten markant. Ved å bruke en adaptiv strømforsyning, som bare leverer den nødvendige høye forsyningsspenningen når det i et kort øyeblikk er bruk for den, men ellers jobber ved lavere spenning, minimerer de spillvarmen uten å gå på kompromiss med den analoge lydkvaliteten.

Klasse D

Klasse D-forsterkere kalles ofte feilaktig for digitale, men er i virkeligheten en type lynrask analog forsterker.

Prinsippet er å omdanne det analoge musikksignalet til en serie av høyfrekvente pulser, hvor pulsenes bredde (varighet) nøyaktig avspeiler signalets opprinnelige kurve (en teknikk kalt PWM, Pulse-Width Modulation). Disse pulsene tenner og slukker forsterkertransistorene lynraskt. Fordi transistorene enten er helt tente eller helt slukket, utvikles det nesten ingen spillvarme.

Etter denne meget effektive forsterkningen filtreres de høyfrekvente pulsene bort, så bare det rene, forsterkede musikksignalet er igjen.

Fordelen er høy effektivitet. Opptil 95 % av effekten som kommer inn i forsterkeren fra strømforsyningen, omdannes til lyd. En klasse D-forsterker på flere hundre watt kan dermed fungere med en kompakt strømforsyning, og den krever ikke store kjøleplater til å lede spillvarmen vekk.

Tidligere hadde klasse D rykte på seg for kald og kunstig lyd, men moderne kretsløp kan låte like naturlige som analoge forsterkere. Det gjelder for eksempel de danskutviklede Purify Eigentakt-modulene, som blant annet brukes av NAD i modellene M33 og C 298.

Power DAC

En Power DAC tar den effektive klasse D-teknologien et skritt videre ved å smelte DAC-en og effektforsterkeren sammen. I stedet for først å lage et digitalt signal om til analogt, tar en Power DAC det digitale signalet direkte fra kilden og omdanner det via en avansert prosessor til et kraftig pulstog (PWM) som kan drive høyttalerne.

Hele prosessen holder signalet i det digitale domenet så lenge som mulig. Denne korte og direkte signalveien er den store fordelen, da den reduserer antallet komponenter og konverteringer som kan gi støy og forvrengning. Forskjellen fra en vanlig klasse D-forsterker er altså enkel: En Power DAC har en digital input der klasse D har et analogt. De nyere Bluesound PowerNode-forsterkerne, som N330, er eksempler på Power DAC-er.

Balansert drift: To forskjellige konsepter

I Hi-Fi brukes begrepet «balansert» om to forskjellige ting, som ofte forveksles: signaloverføring mellom apparatene og selve forsterkerens interne kretsløpsoppbygning.

Balansert signaloverførsel (XLR-kabler) handler om å transportere et musikksignal fra ett apparat til et annet (for eksempel fra DAC til forsterker) uten støy. Signalet sendes i to versjoner gjennom kabalen: en normal og en i motfase. Støy, som fanges opp på veien, vil være lik på begge ledere. I mottaker-apparatet vendes motfase-signalet tilbake og legges sammen med det normale. Slik annulleres støyen, mens musikksignalet fordobles. Det er spesielt effektivt ved lange kabelstrekk. I den profesjonelle lydverdenen kan det være adskillige kilometer balanserte kabler i et lydstudio.

Fullt balansert forsterkerdesign refererer til forsterkerens interne kretsløpsarkitektur. En fullt balansert forsterker behandler signalets positive og negative halvdeler i to helt separate og speilvendte kretsløp fra inngang til utgang. Da alle kretsløp er innbyrdes speilet, krever det dobbelt så mange komponenter og er en dyrere og mer puristisk tilgang, som potensielt kan gi enda lavere forvrengning og bedre kanalseparasjon.

En forsterker kan altså godt ha balanserte XLR-innganger uten samtidig å være fullt balanserte inni, liksom en fullt balansert forsterker fortsatt vil være utstyrt med ubalanserte RCA-innganger som supplement til de balanserte XLR.

Brokobling: Skap din egen balanse

Noen stereoforsterkere kan «brokobles» slik at begge kanaler jobber sammen om å drive én enkelt høyttaler, noe som gir en dramatisk effektforøkelse.

Slik virker det: Internt i forsterkeren inverteres signalet til den ene kanalen. Høyttaleren kobles så mellom de to positive (+) terminalene. Dermed jobber den ene kanalen i motfase med den andre, noe som fordobler spenningen over høyttaleren. Da effekt er proporsjonalt med kvadratet på spenningen (P=V2/R), er den teoretiske effektforøkelsen fire ganger den opprinnelige. Men da teoretisk ideelle forsterkere, som gir akkurat den dobbelte effekten når høyttalerens impedans halveres, bare finnes i teorien, er den praktiske effektforøkelsen ofte omkring tre ganger. En 100-watts stereoforsterker kan slik levere omkring 300 watt som monoblokk.

En ekstra bonus er at brokobling i praksis skaper en fullt balansert forsterker. De to kanalene jobber akkurat som de to separate halvdelene i en ekte balansert design, hvor høyttaleren drives i en balansert «push-pull»-konfigurasjon. Det er en elegant måte hvor man kan oppnå både høy effekt og følge prinsippene fra balansert drift.

Prisen for kraften er for det første at forsterkeren belastes hardere, da den «ser» en halvert impedans fra høyttaleren. En 8 Ohms høyttaler belaster hver kanal som en 4 Ohms høyttaler. Og har man en 4 Ohms høyttaler, må man la være å koble til en brokoblet forsterker.

Stereoforsterkeren blir forvandlet til mono, og man må bruke to identiske, brokoblede forsterkerne for et stereosystem.

Strømforsyningen

En temmelig oversett, men helt avgjørende del av forsterkeren, er strømforsyningen. For å levere et konstant uforvrengt signal og tilstrekkelig med effekt må strømforsyningen levere en helt ren spenning – og masser av strøm. Her finnes to hovedtyper: den lineære og switched mode-strømforsyningen.

Den lineære strømforsyningen bruker en stor, tung transformator til å omdanne nettspenningen fra 230 V til de lavere spenningene kretsløpet skal bruke. Etter transformeren blir vekselstrømmen ensrettet til jevnstrøm, som deretter lagres i store kondensatorer. Disse kondensatorene fungerer som et strømreservoar, som lynraskt kan levere energi når musikken krever det, for eksempel til et kraftig slag på en stortromme.

Fordelen ved en velbygget lineær strømforsyning er dens prinsipielle enkelthet og lave elektriske støy. Ulempen er den høye vekten, fysiske størrelse og prisen som følger med de store komponentene. I en gammeldags stereoforsterker kan man med en gang merke kvaliteten og den rå styrken ved å løfte på kabinettet. Jo tyngre, jo bedre.

En switched mode-strømforsyning er mer kompleks, men langt mer effektiv. Her blir nettspenningen fra stikkontakten først ensrettet til en høy jevnspenning. Denne jevnspenningen blir så «hakket i stykker» av lynraske transistorer til en høyfrekvent vekselstrøm. Først deretter sendes strømmen gjennom en transformator, som på grunn av den høye frekvensen kan være utrolig liten og lett. Til slutt blir strømmen ensrettet og filtrert igjen.

Tidligere var switched mode-strømforsyninger plaget av høyfrekvent støy som kunne forurense musikksignalet. Men moderne design har blitt så støysvake og stabile at de i dag brukes i mange high-end-forsterkere. De jobber også ved langt høyere frekvenser – og til flere hundre kilohertz, noe som bringer arbeidsfrekvensen langt vekk fra det hørbare signalet i forsterkeren. En ytterligere fordel ved switched mode er at de ofte er regulerte, noe som vil si at de leverer en helt stabil spenning, uansett hvor hardt forsterkeren jobber.

Dempingsfaktor – kontrollen over membranen

Dempingsfaktoren er et mål for hvor godt forsterkeren kan kontrollere høyttalerens membran. Når slaget på en stortromme slutter, skal membranen stoppe øyeblikkelig – ikke fortsette å svinge.

Dempingsfaktoren måles som forholdet mellom høyttalerens impedans og forsterkerens utgangsimpedans. En høyttaler på 8 Ohm og en forsterker med utgangsimpedans på 0,1 Ohm gir en dempingsfaktor på 80.

Høy dempingsfaktor betyr stram basskontroll og presist lydbilde. Lav dempingsfaktor kan låte løsere og mer musikalsk, men også mer upresist.

Rørforsterkere har typisk lavere dempingsfaktor (10–20) enn transistorforsterkere (50–500), noe som er en av grunnene til deres forskjellige lydkarakter og en del av forklaringen på at den samme rørforsterkeren kan låte forskjellig på forskjellige høyttalere.

Den virkelige verdens dempingsfaktor

Selv om dempingsfaktoren beregnes ut fra forsterkeren alene, er det i den virkelige verden summen av mostanden i både forsterkeren, kabelen og spesielt høyttalerens delefilter som bestemmer den reelle kontrollen over membranen.

Spesielt den spolen (eller, i steile delefiltre, de spolene) som leder signalet til bassenheten, har gjennom de mange meterne med kobbertråd en indre motstand som ofte er langt større enn forsterkerens egen utgangsimpedans.

Det betyr at når først den samlede motstanden fra delefilteret og kabelen kommer med i regnestykket, blir den praktiske forskjellen mellom en forsterker med en dempingsfaktor på 200 og en på 1000 ofte akademisk liten.

En tilstrekkelig høy dempingsfaktor er viktig for stram bass, men jakten på ekstreme tall i spesifikasjonene er sjelden den hellige gral når først høyttaleren er tilkoblet. I hvert fall så lenge vi snakker om passive høyttalere. I en aktiv høyttaler, hvor hver høyttalerenhet er forbundet direkte til sin egen forsterker, kan man oppnå en langt høyere reell dempingsfaktor.

Forvrengning – når lyden går i stykker

Forvrengning oppstår når forsterkeren ikke kan gjengi signalet perfekt. Ideelt sett skulle det bare komme et rent musikksignal ut, men i praksis legger ethvert kretsløp i signalveien alltid til litt forvrengning og støy. De vittigste målene for dette er THD+N og IMD.

THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise)

Denne målingen angir den samlede mengden uønsket signal en forsterker legger til. Den består av to deler:

• THD (Harmonisk forvrengning): Måler hvor mye forsterkeren tilføyer harmoniske overtoner. Spiller du en 1000 Hz tone, måler THD mengden av 2000 Hz, 3000 Hz, osv.
• N (Støy): Måler forsterkerens grunnstøy – en blanding av susing fra elektronikken og eventuelt brum fra strømforsyningen.

Moderne forsterkere har typisk THD+N under 0,1 %. Selv om tallet er lavt, er det viktig da spesielt visse typer forvrengning kan være hørbare selv ved lave nivåer.

IMD – Intermodulasjonsforvrengning

IMD oppstår når to eller flere toner blandes og skaper nye, uønskede toner. Hvis du spiller 1000 Hz og 1100 Hz samtidig, kan forsterkeren skape en tone på 100 Hz (forskjellen) eller 2100 Hz (summen).

Intermodulasjonsforvrengning er ofte mer hørbar enn harmonisk forvrengning, fordi de nye tonene ikke har noen naturlig sammenheng med musikken.

Lave forvrengningstall er fint, men de må måles ved realistiske betingelser. En forsterker kan ha lav forvrengning ved 1 watt, men høy forvrengning ved full effekt. Eller vice versa når det handler om crossover-forvrengning i klasse AB-forsterkere som er konstant uansett styrken på signalet, og dermed mest hørbare ved lav effekt.

Klipping: Den festlige høyttaler-killer

Uansett forsterkertype oppstår klipping når man presser den ut over dens effektgrense. Den delen av musikksignalet som overstiger forsterkerens maksimale nivå, blir rett og slett kappet av. Jo mer forsterkeren overstyres, jo mer nærmer det klippede signalet seg en firkantbølge.

En ren firkantbølge består harmonisk sett av grunntonen pluss en stor mengde kraftige, ulike overtoner. Dette har en farlig konsekvens for høyttalerne dine. I et normalt musikksignal ligger det aller meste av energien i bass- og mellomtoneområdet. Men når forsterkeren klipper voldsomt, skaper den en enorm mengde kunstig, høyfrekvent energi i form av disse overtonene.

Denne energien sendes direkte til høyttalerens diskantenhet, som slett ikke er bygget for å håndtere så mye effekt. Resultatet er at diskantens fine svingspole raskt overopphetes og brenner av. Den viktigste årsaken til defekte diskanter er ikke for store forsterkere, men for små forsterkere, som presses til å klippe når lydstyrken blir skrudd opp i de senere timer av festen.

Konklusjon

Forsterkerens interne oppbygning påvirker lyden på måter som når ut over den enkle effektangivelsen. Valget mellom rør og transistorer, forsterkerklasse, signalbehandling og strømforsyning former alle den lyden som kommer ut av høyttalerne.

Det finnes ikke én løsning som alltid er best. En god klasse D-forsterker kan fungere fremragende med de riktige høyttalerne, mens en single-ended rørforsterker med lav utgangseffekt kan eksellere i andre sammenheng.

Det er noen av de tingene man kan ligge søvnløs over – men som også gjør Hi-Fi til en interessant hobby.

I neste del av Hi-Fi-skolen ser vi nærmere på hodetelefoner og head-fi.