Wzmacniacze słuchawkowe
Słuchawki nie są wynalazkiem ostatnich lat, ale po długim czasie lekceważenia odżyły, głównie za sprawą "mobilnej rewolucji" - sprzętu przenośnego.
Wraz ze słuchawkowym boomem wyjścia słuchawkowe utrwaliły swoją pozycję także w stacjonarnych wzmacniaczach zintegrowanych. Skoro więc niemal każdy wzmacniacz (jak i amplituner wielokanałowy) ma dzisiaj wyjście słuchawkowe, a niezależnie od tego coraz ważniejsza staje się transmisja bezprzewodowa, to czy do szczęścia potrzebujemy czegoś więcej?
Wzmacniacz słuchawkowy to dzisiaj nie tylko jedno wejście i jedno wejście. Funkcjonalne możliwości mogą być znacznie większe. Pojawia się dostęp do źródeł cyfrowych, a nawet strumieniowanie. Ale nie te dodatki są głównym tematem poniższych rozważań, lecz zasadnicza jakość dźwięku, wynikająca z dopasowania parametrów wzmacniacza do parametrów słuchawek.
Od iPoda do Atoma
Kiedyś sprawa była prosta: słuchawki mieszkały w domu, razem z zespołami głośnikowymi. Czasami wychodziły na spacer z walkmanami, potem discmanami, jednak ówczesne urządzenia przenośne były znacznie mniej wygodne i kusiły tylko najbardziej spragnionych muzyki, a także tych, którzy chcieli się "pokazać" z nowoczesnym sprzętem - wyłącznie młodych ludzi.
Przełomem, ale nie ostatnim, były empetrójki, najpierw też relatywnie duże, potem coraz mniejsze... a ich ukoronowaniem okazał się kultowy iPod. Wreszcie nadeszła rewolucja smartfonowa, od czasów której już praktycznie każdy ma przy sobie "grajka", do którego może podłączyć słuchawki. Jednak sprawa zaczęła się też komplikować. Zaczęto dostosowywać parametry słuchawek do możliwości sprzętu przenośnego. Co więcej, nawet słuchawki, których wielkość i inne cechy wskazują na zastosowanie przede wszystkim domowe, dla dopasowania ich do smartfona (którego używamy także w domu) mają często parametry "przenośne", zakłócające jednak dopasowanie do układów we wzmacniaczach stacjonarnych.
Może się to wydawać dziwne, że skoro ze słuchawkami radzi sobie mały "grajek", to jakie może mieć z tym problemy znacznie większy układ?
Kluczem impedancja
Dla wzmacniacza (każdego - w domowej integrze czy w iPodzie, który też musi mieć "jakiś" wzmacniacz) najważniejszym parametrem jest impedancja obciążenia, czyli słuchawek. Analogicznie jak w przypadku zespołów głośnikowych, w rzeczywistości jest to funkcja - wartość modułu impedancji zmienia się w funkcji częstotliwości, chociaż użytkownik zostaje zapoznany z impedancją znamionową, wartością "reprezentatywną", ustaloną w sposób określony normami na podstawie charakterystyki impedancji.
Na razie, aby zrozumieć początkowe rozważania, skupmy się więc na tak rozumianej impedancji - znamionowej. Przez długi czas była ona utrzymywana na relatywnie wysokim poziomie, zwykle w granicach 150-600 Ω, co zapewniało dopasowanie do typowych układów domowych wzmacniaczy słuchawkowych, czy to ukrytych we wzmacniaczu zintegrowanym, czy w oddzielnym urządzeniu.
Rewolucja wśród urządzeń przenośnych wymusiła znaczne obniżenie impedancji, do ok. 20-40 Ω. Dlaczego małe smartfony lubią niską impedancję? To się nie zgadza z naszymi doświadczeniami ze sfery "dużych" wzmacniaczy (głośnikowych), które pracują komfortowo z wysokimi impedancjami, za to czasami "pocą się", wyłączają, a kiedyś nawet "paliły się" przy impedancjach zbyt niskich.
Napięcie albo prąd
Aby osiągnąć określony poziom ciśnienia akustycznego (natężenia dźwięku, głośności), potrzebna jest moc elektryczna, która zamienia się w przetworniku elektroakustycznym (słuchawkach, głośnikach) w moc akustyczną i ciepło - im wyższa sprawność, wyrażana efektywnością, tym więcej dźwięku, a mniej ciepła. Ale dla uproszczenia zostawmy efektywność w spokoju, załóżmy, że wszystkie słuchawki mają podobną, bo ich stacjonarna lub przenośna konstrukcja nie ma z tym związku.
Zostajemy więc z mocą, a ta jest zawsze i wszędzie iloczynem napięcia i prądu.
dla impedancji wyjściowej 100 Ω
Wzmacniacze stacjonarne mają do dyspozycji zasilanie z sieci o napięciu 230 V, znacznie przekraczającym potrzeby, stąd transformatory i zasilacze przygotowujące dla układów napięcia rzędu 20-80 V. Żeby dostarczyć do kolumn moc rzędu kilkuset watów, musi popłynąć też prąd o relatywnie wysokim natężeniu, a temu służy niska impedancja (zgodnie z prawem Ohma).
Kiedy jednak wymuszany jest zbyt duży prąd, wzmacniacz bardzo się grzeje. Stąd sam wzmacniacz "nie lubi" być traktowany niską impedancją, bo zmusza go to do większego wysiłku, chociaż zwykle jest wtedy zdolny do dostarczenia większej mocy. Słuchawki nie potrzebują jednak setek ani nawet kilkudziesięciu watów, więc tylko niewielka część tego napięcia zostaje podana do wyjścia słuchawkowego (przez dzielnik napięcia). Ale wciąż jest ono na tyle wysokie, że wystarczy niewielkie natężenie prądu, aby uzyskać wymaganą przez nie moc. A skoro prąd ma być niewielki, to impedancja może być wysoka, co będzie też miało inne zalety, o których dalej.
Aby z tych samych słuchawek uzyskać taką samą głośność po podłączeniu do przenośnego grajka, potrzebujemy takiej samej mocy. Jednak urządzenia przenośne, zasilane akumulatorowo, nie dysponują wysokim napięciem, więc muszą podać wyższy prąd, a temu - jak już wiemy - służy niższa impedancja.
Wyższy prąd to też pewne problemy, ale łatwiejsze do rozwiązania niż przygotowanie znacznie wyższego napięcia dla sekcji wzmacniacza przenośnego smartfona, któremu do zasilania pozostałych sekcji wystarczą zazwyczaj ok. 3 V.
W typowym smartfonie napięcie na wyjściu słuchawkowym nie przekracza ok. 1 V. Gdybyśmy podłączyli do takiego smartfona klasyczne słuchawki o impedancji kilkuset omów, wówczas moc maksymalna byłaby bardzo niska (przy 600 Ω - 1,6 mW) - to zdecydowanie za mało, aby przy typowej efektywności osiągnąć satysfakcjonującą głośność.
Przyjęto więc, że optymalna impedancja obciążenia dla smartfonów wynosi ok. 20-40 Ω.
W integrach szliśmy na skróty
Najprostszy i najczęściej stosowany sposób instalacji wyjścia słuchawkowego we wzmacniaczu zintegrowanym nie polega na przygotowaniu oddzielnego układu wzmacniacza słuchawkowego, lecz na wykorzystaniu końcówek mocy, przeznaczonych przede wszystkim do podłączenia zespołów głośnikowych. Nie można jednak podłączyć ich bezpośrednio do wyjść głośnikowych, byłoby zagrożone uszkodzeniem zbyt wysoką mocą. Powszechnie przyjętym rozwiązaniem jest zmniejszenie mocy na wyjściu słuchawkowym przez dzielnik napięcia.
Takie proste rozwiązanie jest względnie dobrze dopasowane do słuchawek o wysokiej impedancji. Musimy bowiem zacząć brać pod uwagę jeszcze inne zjawiska, w tym odejść od uproszczenia, że interesuje nas tylko impedancja znamionowa, a nie charakterystyka impedancji, zmienna w funkcji częstotliwości. Ta zmienność bowiem, w połączeniu z rezystancją dzielnika napięcia, będzie powodowała "modulowanie" charakterystyki przetwarzania - powstaje wówczas kolejny, już niestabilny w funkcji częstotliwości dzielnik napięcia.
Zmiany będą tym większe, im większa zmienność charakterystyki impedancji słuchawek i im większa dodana we wzmacniaczu rezystancja szeregowa (będąca w praktyce impedancją wyjściową). A do tego wysoka impedancja wyjściowa, odniesiona do niskiej impedancji obciążenia, oznacza przecież niski współczynnik tłumienia pogarszający odpowiedź impulsową. Wreszcie coraz większa moc będzie wydzielana na rezystorze dzielnika napięcia, chociaż tym będziemy przejmować się najmniej - mocy mamy pod dostatkiem.
W przypadku słuchawek o impedancji 600 Ω impedancja wyjściowa 40, 100 czy nawet 200 Ω (to często spotykane wartości) też wprowadza niekorzystne, jednak "tolerowane" zmiany. Jeżeli jednak pod taką impedancję wyjściową podłączymy słuchawki o impedancji znamionowej 40 Ω... Zależy jakie.
Laboratorium AUDIO wykonało pomiary pięciu modeli słuchawek o różnej konstrukcji, przeznaczeniu i przede wszystkim - o różnej impedancji, podłączonych do czterech różnych impedancji wyjściowych (wzmacniacza). Pokazały one zakres zmian charakterystyk przetwarzania, zależnych zarówno od impedancji znamionowej, jak i zmienności modułu impedancji w całym pasmie. W MT pokazujemy jeden, finalny rysunek - rodzinę charakterystyk wszystkich badanych słuchawek, zmierzonych przy impedancji wyjściowej wzmacniacza 100 Ω. Uwaga - nie są to "docelowe" charakterystyki przetwarzania, ale funkcje przejściowe, charakterystyki zmian.
Toksyczne związki
Teoretycznie najgorszy związek to wysoka impedancja wyjściowa wzmacniacza oraz niska impedancja słuchawek, ale o dużej zmienności, najczęściej związanej z wysoką impedancją wyjściową. Zmienia to charakterystykę, ale nie można wykluczyć, że w szczególnych przypadkach może brzmieniu pomóc, wzmacniając zbyt słaby bas.
Z drugiej strony, nawet gdy bas nie zostanie wyraźnie wyeksponowany na skutek działania dzielnika napięcia dzięki niewielkiemu wzrostowi impedancji w zakresie niskich częstotliwości, to przy niskiej impedancji słuchawek i wysokiej impedancji wyjściowej wzmacniacza grozi nam znaczne pogorszenie odpowiedzi impulsowej (bardzo niski współczynnik tłumienia), a więc bas tłusty i słabo kontrolowany, zresztą też podbity.
Najbardziej odporne na wysoką impedancję wyjściową są więc słuchawki o wysokiej impedancji i jej niewielkiej zmienności, które jednak słabo pasują do wzmacniaczy przenośnych.
Jeżeli chcemy mieć jedną parę uniwersalnych słuchawek domowo-przenośnych, musimy zadbać zarówno o słuchawki o niskiej impedancji, jak też o wzmacniacz o niskiej impedancji wyjściowej. Każda inna sytuacja grozi negatywnymi konsekwencjami brzmieniowymi.
Zaszłości
Dlaczego więc producenci wzmacniaczy zintegrowanych projektują wyjścia słuchawkowe w taki ułomny sposób? Odpowiedzi jest nawet kilka.
Po pierwsze, instalacja rezystorów jest znacznie tańsza od dodatkowego, kompletnego wzmacniacza słuchawkowego. Po drugie, taki sposób wywodzi się z czasów, gdy zdecydowana większość słuchawek miała wysoką impedancję i negatywny wpływ takiego rozwiązania był mniejszy. Po trzecie, w tych czasach słuchawki były traktowane przez zdecydowaną większość użytkowników marginalnie i inwestowanie w droższe układy słuchawkowe w integrach nie miało sensu. Po czwarte, specjalistyczne wzmacniacze słuchawkowe (o niskiej impedancji wyjściowej) znane są od dawna i komu na tym zależy, kto ma na to pieniądze i słuchawki wysokiej klasy, może po nie sięgnąć... Od tamtych czasów trochę się jednak zmieniło. Popularne obecnie słuchawki o niskiej impedancji wyostrzają problem wysokiej impedancji wyjściowej, a jednocześnie wymagania wielu użytkowników są wyższe niż kiedyś. I dlatego wzmacniacze słuchawkowe są znacznie bardziej potrzebne niż kiedyś.
Andrzej Kisiel
