על שמיעה, סאונד, ומה שמסביבם - פרק י: איך מעגלי הגברה אלקטרונים גורמים לעיוות?

היום בא לי לסיים את הפוסט שכתבתי בפעם שעברה, זוכרים? עיוותים במעגלים אלקטרונים…

וגם, מי שזוכר, בעבר הקדשנו שני פוסטים למימד הזמן בסאונד.

דיברנו על הזמניות של הצליל שמתעלמים ממנו לעתים קרובות, ועד כמה הוא קריטי לכל מה שאנו שומעים. זה בהחלט תקף לאופן שבו צלילים משוחזרים, וההבדל בין שחזור אודיו בינוני למצוין מסתכם לעתים קרובות במרווחי זמן זעירים. והנה אנחנו מוכנים לחבר חלק מהקצוות, ולהבין איך עיוותים נוצרים במעגלי המגבר.

ההגברה של המערכת ממלאת תפקיד מאוד חשוב במימד הזמניות, כאשר ההיבטים הקריטיים: קצב ההדחה (Slew-Rate) וזמן ההתייצבות (Settling-Time) קובעים את הבהירות והדיוק של הפלט הסופי.

הערה: במערכות אודיו, לכל חוליה בשרשרת האותות יש פוטנציאל להוסיף עיוות בדרגות שונות. הפוסט הזה מתמקד בעיוות הנוצר על ידי המעגלים האלקטרוניים במגבר. העיוות הנוסף שיכול להיווצר על ידי מתמרי הרמקולים (Speaker-Drivers) ועיצוב הצופר יכוסה בפוסטים הבאים בסדרת הפוסטים הכל-כך טכנים, וכל כך “גיקים” הזו - אבל, עוד חזון למועד.

דרך אגב, לאלה שתוהים מאיפה אני מוצא את כל האינפורמציה הזאת, אז הרוב מגיע מאתר של KV2, עוד חלק משמעותי בא מהניסיון האישי, ומה שאני לומד מהמאסטר שלי בענייני סאונד: דויד בר-גיל מטומבה, ומעוד שלושה אתרים עיקריים: Wikipedia, Quora, וביוטיוב בערוצים של Dave Rat ו Michael Curtis, כי הם פשוט מעולים, וגם מהם למדתי לא מעט.

ובנתיים בואו נצלול רגע, אל שלושת הנתונים הכי חשובים במגבר שאף אחד לא מדבר עליהם: קצב הדחה, חריגת טווח, וזמן התייצבות.

מה זה קצב הדחה (Slew Rate)?

כאשר מעגל הגברה אלקטרוני מגיב לאות נכנס, השינוי ממתח נמוך למתח גבוה לוקח זמן. זמן זה מכונה קצב ההדחה (Slew-Rate) ונמדד כמשך הזמן שלוקח לפלט של המגבר להשתנות מערך סף נמוך (בדרך כלל 10% של האות הנכנס) לערך סף גבוה (בדרך כלל 90% מהאות הנכנס). ניתן לראות באיור 4.3 בתמונה מטה, דוגמה פשוטה של ​​קצב הדחה, כאשר המרווח בין הסף הנמוך (t10) והגבוה (t90) מסומן באדום.

קצב ההדחה (tr) מבוטא ביחידות זמן אמת (בדרך כלל מיקרו-שניות).

זמן הדחה קצר יותר מצביע על אלקטרוניקה שמגיבה מהר יותר - הווה אומר, חלקים רבים יותר מהתוכן החולף הראשוני של הצליל המקורי נשמרים. בנוסף, קצב הדחה מהיר, יספק את המיקום הזמני המדויק ביותר של צליל, וישפיע על תחושת המיקום המרחבי ותמונת הסטריאו של המאזין.

מהי חריגת טווח (Overshoot)?

חריגת טווח מתרחשת כאשר מתח המוצא של המעגל עולה על 100% מהאות הנכנס, כפי שמוצג באיור 4.4. בתמונה מטה

.

זה קורה בדרך כלל במערכות המוגבלות ברוחב הפס שלהן (כלומר מערכות הכוללות מסנן לתדר נמוך (Low-Pass filter)), ובדרך כלל היא לא רצויה - ככל שהחריגה פחותה יותר כך טוב יותר כיוון שחריגת טווח העולה מעבר לאות הנכנס עלולה ליצור בעיות בלתי צפויות המתבטאות בשלבים הבאים של שרשרת האותות.

ראוי לציין שבעוד שקצב ההדחה תורם להפחתה במידע הקולי (כאשר המעגל האלקטרוני שואף לעמוד בקצב האות הנכנס), חריגת טווח היא הנקודה הראשונה שבה אנחנו רואים איך מעגלי ההגברה מוסיפים אלמנטים לאות המוצא שלא היו באות הנכנס. למרבה הצער, זו לא הדרך היחידה שבה מעגלים אלקטרונים במגבר יכולים להוסיף תוכן לא רצוי לאות...

מה זה זמן התייצבות (Settling Time)?

ברגע שהפלט של המגבר עלה בתגובה לאות נכנס (וחרג מהאות במידה מסוימת), המעגלים של המגבר לא מגיעים מיד לרמה הנכונה. זמן ההתייצבות מתייחס לזמן הדרוש לרמת הפלט להתאים לאותה רמה כמו האות המקורי, בטווח מסוים הנקרא רצועת השגיאה או מרווח הסובלנות.

איור 4.5 בתמונה מטה מציג דוגמה לזמן התייצבות.

לאחר שהפלט של מגבר עולה מ-10% של האות הנכנס לרמה של 90% (קצב הדחה) ולאחר מכן עולה על 100% (חריגת טווח), המעגלים האלקטרונים מתנדנדים עם משרעת (אמפליטודה) יורדת ועולה למשך תקופה מסוימת. ברגע שהתנודה הזו נרגעה עד לנקודה שבה היא לא חורגת מרצועת השגיאה (שהיא בדרך כלל בין 2% ל-5% ממשרעת אות הכניסה), אומרים שההתייצבות הושלמה.

זמן ההתייצבות נמדד בדרך כלל כזמן מתחילת האות הנכנס ועד למצב הסופי המדויק יחסית הזה, כאשר כל התנודות נופלות בטווח רצועת השגיאה. כמו קצב ההדחה, המטרה עבור מערכות אודיו היא זמן ההתייצבות הקצר ביותר האפשרי.

אז איך קצב הדחה וזמן התייצבות קשורים לעיוות?

גם קצב ההדחה וגם זמן ההתייצבות משנים את האות המקורי, ולכן שניהם תורמים לעיוות. מכיוון שהמטרה של מערכת השמעה היא למזער את העיוות הזה, המטרה היא למזער את הזמן שנדרש למעגלים האלקטרונים לחוות הדחה ואז להתייצב.

בזמן הדחה, מידע קריטי הולך לאיבוד, כמו גם המיקום הזמני המדויק של צליל. זה יכול להשפיע לא רק על התוכן החולף הראשוני של הצליל, אלא גם על תמונת הסטריאו הכוללת של הפלט, שכן התזמון הראשוני של הצליל הוא קריטי ליכולתנו למקם אותו.

אבל קצב ההדחה, חשוב ככל שיהיה, הוא רק חצי מהסיפור ואם אחרי אותה הדחה ראשונית לא יהיה זמן התייצבות מהיר, ההגדרה המדויקת של הצליל תאבד. זמן התייצבות, כמו חריגת טווח, כרוך בהחדרה של תדרים חדשים שאינם קיימים באות המקורי. בנוסף, העיוות הנגרם כתוצאה מזמן התייצבות מסווה מידע קולי שהיה קיים באות האודיו המקורי - מידע אבוד שלא ניתן לשחזר עוד. במצבי השמעה בעולם האמיתי, הנזק הזה לא מתרחש רק פעם אחת - מכיוון שרמת האותות משתנה כל הזמן, זמן ההתייצבות חוזר על עצמו פעם אחר פעם.

בפרק ח בסדרת הפוסטים הזאת, דיברנו על החשיבות המיוחדת של תחילת הצליל (זמן “ההתקפה” של הצליל, למי שזוכר) כפי שמראה, בעקיפין, ניסוי ”הפעמון החתוך" המפורסם. זמן ההתייצבות משפיע על יכולתינו לשמוע את תחילת צורת הגל של הצליל, שבתורו מפריע בדיוק בנקודה שבה אנחנו זקוקים למידע הקולי המדויק ביותר בכדי להבין מה אנחנו שומעים.

צלילים גבוהים מושפעים יותר, מכיוון שיש יותר מחזורים בצליל הנפגעים מההשפעות המזיקות של זמן ההתייצבות. זה משפיע במיוחד על אלמנטים קוליים כמו נשימה, פירוט התדרים הגבוהים של כלי מיתר, וההרמוניה העליונה של כל הצלילים. ככל שהתדרים נמוכים יותר, ההשפעה של זמן התייצבות, אם כי עדיין משמעותית, הופכת פחות נשמעת.

ועוד, מכיוון שזמן ההתייצבות אינו תלוי בתדר (כלומר: הוא אינו משתנה בהתאם לתדרים של האות הנכנס), לרעש הלא-הרמוני שנוצר על ידי זמן ההתייצבות אין קשר למבנה ההרמוני של אות האודיו המקורי. עיוות זה נותן עודף "פריכות” לצלילים גבוהים והופך אותם ל”שבירים”, אך מכיוון שהתוכן ה”פריך” הזה בתדרים הגבוהים נוצר על ידי המגבר, שום כמות של אקווליזציה (EQ) שנעשת על ידי מהנדס הסאונד לא יכולה להשפיע על הצליל הלא רצוי הזה - עיוות זה, דרך אגב, הוא הגורם מספר אחד לתופעה של כאב באזניים כתוצאה מחשיפת יתר לתוכן אודיו בתדר גבוה (מה שנקרא בעגה “רמקולים צורחים”).

העיוות הנגרם על ידי מעגלים אלקטרונים איטיים אינו מדובר בד”כ על ידי יצרני ציוד ההגברה המוכרים בתעשייה, אך הימנעות מהבעיה אינה מפחיתה את השפעתה. עבור מהנדס סאונד מקצועי, הדבר הטוב ביותר שניתן לעשות הוא לנסות למזער את הסימפטומים של זמני הדחה והתייצבות ארוכים כמה שאפשר בטכניקות של אילתור, אך אודיו נאמן למקור באמת, אפשרי רק כאשר בעיית השורש נפתרת...

זהו להפעם. עד עכשיו, התעמקנו בעיוותי שמע, ובתפקיד המקיף (וההרסני) שמעגלים ממלאים בעיוותים האלה. בפוסט הבא, נחקור את הפגמים בחשיבה הקונבנציונלית לגבי הגברה, ואיזה פריצות דרך קיימות בתעשייה על מנת לספק איכות שמע טהורה באמת.