Benchmark HPA4 - przedwzmacniacz

Benchmark

Benchmark HPA4 - wzmacniacz słuchawkowy i przedwzmacniacz liniowy

Wzmacniacz słuchawkowy najwyższej klasy

Firma Benchark Media Systems Inc. we współpracy z THX Ltd. opracowała wzmacniacz słuchawkowy i przedwzmacniacz liniowy HPA4 wyposażony w technologię THX Achromatic Audio Amplifier [AAA™].

Technologia THX AAA™ pozwala zredukować zniekształcenia harmoniczne, intermodulacyjne oraz przesłuchy między kanałami o około 20 - 40dB, co gwarantuje realizm brzmienia i brak zmęczenia przez długie godziny odsłuchów. Opatentowana topologia układu AAA™ prowadzi do likwidacji konwencjonalnych mechanizmów generowania szumu i zniekształceń. Efektem jej wykorzystania jest najbardziej liniowy wzmacniacz świata. Technologia THX AAA™ pozwala wzmacniaczom osiągnąć maksymalną moc wyjściową i poziom głośności bez zniekształceń, które zwykle towarzyszą zwiększeniu poziomu głośności przez tradycyjne wzmacniacze.

Rewolucyjny wzmacniacz słuchawkowy Benchmark HPA4 oparto o flagowy moduł THX-888. Stosowane w nim rozwiązania można również znaleźć we wzmacniaczu mocy Benchmark AHB2. Brzmienie HPA4 to czysta perfekcja. Płynąca z głośników muzyka wolna jest od zanieczyszczeń związanych z zasilaniem i zniekształceniami. Benchmark HPA4 to szybkie i dokładne brzmienie z zadziwiająco cichym tłem.

Przedwzmacniacz liniowy najwyższej klasy

Moduł THX-888 otrzymuje sygnał z przedwzmacniacza liniowego Benchmark opartego o zespół przekaźników do regulacji poziomu i wykorzystującego przekaźniki do wyboru źródła i aktywacji wyciszenia. Zastosowane przekaźniki to najlepsze dostępne na rynku konstrukcje o stykach pokrytych złotem. Układ regulacji głośności oferuje 256 kroków ze skokiem o 0,5dB. Pozwala również na regulację balansu kanałów. Zamknięcie przekaźników jest precyzyjnie określone w czasie, co zapewnia gładką i płynną zmianę głośności. Żaden inny układ przekaźników nie zapewnia takiego poziomu jakości. Benchmark HPA4 wyposażony jest w cztery niezależne drabinki rezystorów o 256 stopniach. Dwie z nich dla prawego i lewego wyjścia słuchawkowego, dwie dla prawego i lewego wyjścia liniowego. Oprócz nich wewnątrz obudowy znaleźć można 64 precyzyjne przekaźniki.

Analogowa w 100% ścieżką sygnałowa

Benchmark HPA4 to urządzenie w 100% analogowe. Otrzymuje sygnał z zewnętrznego przetwornika cyfrowo-analogowego lub zewnętrznego źródła analogowego i, po wzmocnieniu, przekazuje go do wyjść analogowych. Cały projekt HPA4 ma na celu otrzymanie najlepszej możliwej analogowej platformy łączącej wejścia z wyjściami. Benchmark HPA4 jest jednak wyraźnie lepszy od większości high-endowych przedwzmacniaczy liniowych: osiąga bowiem znacznie niższy poziom szumu i zniekształceń.

Wysokie napięcie, wysokie natężenie, wysoka moc

Moduł wzmacniający THX-888 dostarcza prąd o wysokim napięciu do niskoczułych słuchawek o dużej impedancji. Może też dostarczyć prąd o wysokim natężeniu do słuchawek o niskiej impedancji. Pomiary wykazuję, że Benchmark HPA4 dostarcza prąd 11,9 Vrms do słuchawek o impedancji 300Ω i prąd mocy 6W do słuchawek 16Ω. W związku z tymi wyjątkowymi możliwościami, należało wprowadzić do układu HPA4 wiele systemów chroniących drogie słuchawki i sam wzmacniacz. Są to systemy wykrywające składową prądu stałego, zwarcie, przeciążenie i przegrzanie.

Szybkość i precyzja

Pasmo przenoszenia HPA4 obejmuje zakres od 0,01Hz do ponad 500kHz. Oznacza to, że HPA4 dokładnie oddaje przebieg amplitudy sygnału [i jest zgodny fazowo] w całym zakresie pasma akustycznego. Kształt fali jest odwzorowany z najwyższą dokładnością a całe spektrum jest przekazywane z doskonałym timingiem. Benchmark HPA4 oddaje brzmienie muzyki z najwyższą dokładnością. Instrumenty muzyczne i ludzkie głosy brzmią więc jak na żywo, bez zmian ich charakteru sonicznego.

Zbalansowane i niezbalansowane wejścia i wyjścia

Benchmark HPA4 wyposażony jest w dwie pary zbalansowanych wejść liniowych, dwie pary niezbalansowanych wejść liniowych oraz pojedyncze wyjścia zbalansowane i niezbalansowane a także wyjście mono. Wyjście słuchawkowe wzmacniacza THX-888 oparte jest o gniazdo 1/4” TRS a także 4-pinowe gniazdo XLR. Oba te wyjścia pozwalają w pełni pokazać jakość HPA4, choć - z powodu niższej rezystancji kontaktowej - rekomendowane jest korzystanie z gniazda XLR.

Systemowa integracja

Benchmark HPA4 wyposażony jest w możliwość zdalnego sterowania za pomocą opcjonalnego pilota. Choć HPA4 jest zaprojektowany pod kątem współpracy z przetwornikami cyfrowo-analogowymi Benchmark DAC2 i DAC3, można do niego podłączyć każdy high-endowi DAC. Kiedy jednak w systemie znajduje się DAC marki Benchmark, do sterowania oboma urządzeniami wystarczy jeden pilot.

Benchmark HPA4 jest doskonałym partnerem dla wzmacniacza Benchmark AHB2. To chyba jedyny przedwzmacniacz liniowy, który - pod względem poziomu szumu i zniekształceń - dorównuje kroku ultracichemu AHB2. Benchmark HPA4 pozwala więc pokazać wszystkie zalety AHB2. Inne przedwzmacniacze nie są w stanie dorównać jakości AHB2 i pogarszają jakość brzmienia systemu generując szum oraz zniekształcenia. Benchmark HPA4 to jedyny przedwzmacniacz który może się znaleźć między przetwornikiem Benchmark DAC3 a wzmacniaczem Benchmark AHB2 bez degradowania jakości brzmienia tego synergicznego zestawienia. Po włączeniu w system HPA4, cyfrowa regulacja głośności przetwornika jest zastępowana przez bardziej rozdzielczy, całkowicie analogowy układ regulacji HPA4.

Dwa dwukierunkowe gniazda wyzwalacza 12V pozwalają połączyć HPA4 z zewnętrznymi źródłami sygnału i wzmacniaczami mocy. Sygnał wyzwalaczy pozwala włączyć i wyłączyć cały system audio, w którego centrum znajdzie się HPA4. Gniazda te są kompatybilne z większością urządzeń zgodnych z branżowymi standardami. W przypadku połączenia z innymi urządzeniami Benchmark, komunikacja zachodzi dwukierunkowo.

Ekran dotykowy

Ekran dotykowy na przednim panelu HPA4 daje dostęp do sterowania zaawansowanymi funkcjami urządzenia: regulacją balansu, ustawieniem poziomu każdego z wejść, nazywania wejść, przyciemnieniem ekranu, ustawieniami zdalnego sterowania i blokowania ustawień. Wyświetlane informacje dodatkowe ułatwiają przy tym obsługę urządzenia.

Obrotowy enkoder

Połączony z pokrętłem regulacji głośności optyczny enkoder wysokiej klasy charakteryzuje się dużą trwałością. Funkcja rozpoznawania przyspieszenia ułatwia ustawienie jednego z 356 stopni głośności. Naciśnięcie pokrętła przełącza między regulacją poziomu wyjścia słuchawkowego a regulacją wyjść liniowych.

Wygodne funkcje

Benchmark HPA4 wyposażony jest w przycisk wyciszenia wyjścia słuchawkowego i wyjść liniowych, widoczny na dotykowym ekranie. Wyjścia te można również wyciszyć za pomocą pokrętła regulacji głośności i opcjonalnego pilota zdalnego sterowania.

Na ekranie dotykowym HPA4 obecny jest również przycisk przyciszenia, który zmniejsza głośność o 20dB. Funkcja ta ułatwia zmianę głośności z poziomu indywidualnego odsłuchu do poziomu muzyki w tle. Łatwo następnie powrócić do normalnego poziomu głośności. Funkcja przyciszenia dostępna jest również z poziomu opcjonalnego pilota zdalnego sterowania.

Wejściom HPA4 można przypisywać indywidualne nazwy. Nieużywane wejścia można wyłączyć. Poziom głośności każdego z wejść można indywidualnie ustawiać i zapamiętać tak, by wyrówna je wszystkie do jednej głośności.

Jasność ekranu dotykowego jest również regulowana. Możliwe jest także ustawienie czasu wyłączenia/przyciemnienia ekranu. Blokada ekranu zapobiega przypadkowemu przestawieniu zaawansowanych funkcji.

Obudowa

Benchmark HPA4 dostępny jest z panelem przednim w kolorze srebrnym lub czarnym, co pozwala dopasować go wizualnie do wzmacniacza AHB2. Pole podstawy HPA4 jest identyczne z rozmiarami przetworników Benchmark DAC1, DAC2 i DAC3. Obudowa HPA4 wykonana jest z frezowanego panelu przedniego i paneli bocznych oraz szczotkowanych ścianek górnej, dolnej i tylnej z grubych blach aluminiowych. Benchmark HPA4 przez wiele lat będzie interesującym wizualnie elementem każdego systemu audio.

Made in USA

Wszystkie urządzenia Benchmark są projektowane, montowane i testowane w USA z wykorzystaniem komponentów, które w większości również produkowane są w USA.

Układ regulacji głośności Benchmark

Benchmark: układ regulacji głośności oparty o przekaźniki - najlepsze rozwiązanie dla analogowego audio?

Firma Benchmark wprowadziła do sprzedaży wzmacniacz słuchawkowy/przedwzmacniacz liniowy HPA4 wyposażony w regulację głośności złożoną z czterech sterowanych przekaźnikami 256-stopniowych drabinek rezystorowych oraz czterech sterowanych przekaźnikami 16-stopniowych modułów wzmacniających. Razem tworzą one dwa całkowicie niezależne, całkowicie zbalansowane układy regulacji ostrości. Jeden z nich ma pod kontrolą wyjścia liniowe urządzenia, drugi służy do regulacji głośności wyjścia słuchawkowego. Ich działanie obejmuje zakres od +15 do -122dB ze skokiem o 0,5dB. Najcichszy stopień to pełne wyciszenie. W układzie regulacji głośności zastosowano najwyższej klasy rezystory z metalowej folii, przekaźniki ze złotymi stykami oraz całkowicie zbuforowane wejścia i wyjścia.

Przejrzystość brzmienia

Podczas projektowania układu regulacji głośności HPA4, główny nacisk położono na uzyskanie maksymalnej możliwej przejrzystości brzmienia. Benchmark postanowił stworzyć przedwzmacniacz, który jakością dorówna poziomowi końcówki mocy AHB2 i wzmacniacza słuchawkowego THX-888. Według założeń, nowy układ kontroli jakości powinien osiągać mniejszy poziom szumu i zniekształceń niż każdy z tych wzmacniaczy. Biorąc pod uwagę wyjątkową jakość wzmacniaczy THX-AAA, nie było to łatwe zadanie!

Wymagane specyfikacje

Wzmacniacz mocy AHB2 i wzmacniacz słuchawkowy THX-888 są podobne pod względem danych technicznych: oba są praktycznie wolne od szumu [stosunek sygnał/szum > 132dV] i zniekształceń [THD < -120dB]. Nowy układ regulacji głośności projektowany przez firmę Benchmark powinien przewyższać te możliwości żeby nie stać się najsłabszym ogniwem całego łańcucha systemu audio. Dokładna analiza opcji dostępnych od ręki pokazała jedno: należy skonstruować coś znacznie lepszego.

Potencjometr - szum, zniekształcenia, błędy równowagi kanałów

Najpopularniejsza metoda regulacji głośności to zastosowanie potencjometrów. Niestety, nie pozwalają one osiągnąć brzmienia na najwyższym poziomie. Elementy oporowe wprowadzają do dźwięku zniekształcenia wynikające ze zmian rezystancji wynikających z nieustannego rozgrzewania i stygnięcia materiału w częstotliwościach audio. Wzrost temperatury jest szczególnie problematyczny w miejscu styku elementu oporowego ze szczotką styku oraz na końcach elementów oporowych. Indukowane przez zmiany temperatury zniekształcenia można ograniczyć zmniejszając ilość energii rozpraszanej w rezystorze. Tyle, że redukcja mocy zawsze pogarsza stosunek sygnału do szumu. Szum i zniekształcenia nie są jedynymi problemami rezystorów. Stereofoniczna regulacja głośności wymaga pary dokładnie dopasowanych rezystorów. Niezbyt dokładne parowanie prowadzi do istotnych błędów obrazowania, zwłaszcza przy niskich poziomach głośności.

Układy scalone z regulacją głośności - szum i zniekształcenia

Na rynku można znaleźć sporo zintegrowanych chipów do regulacji głośności przeznaczonych do zastosowania w budżetowych komponentach audio. Wewnątrz nich znajdują się wzmacniacze kontrolowane napięciem, analogowe multiplikatory lub multiplikujące przetworniki Lepsze z nich trafiają czasem do urządzeń klasy hi-fi. Nie są jednak odpowiednie do aplikacji high-endowych. Są tanie, oferują możliwość zdalnego sterowania a czasem mają nawet doskonałą równowagę kanałów. NIestety, brakuje im transparencji. Żaden z produkowanych obecnie chipów nie jest w stanie osiągnąć wymaganego przez firmę Benchmark poziomu zniekształceń i szumu.

Cyfrowa regulacja głośności

Cyfrowe procesory DSP są w stanie osiągnąć transparencję bliską perfekcji jeżeli tylko na ich wyjście trafia odpowiednia ilość bitów kierowana następnie do konwertera cyfrowo-analogowego o odpowiedniej rozdzielczości. Każde istotne obniżenie głośności stawia trudne zadanie przed konwerterem D/A - zwłaszcza w kwestii stosunku sygnału do szumu. A aplikacji analog-do-analogu, w pierwszym etapie ścieżki sygnału należy wprowadzić konwerter A/D. Każdy istotny wzrost głośności będzie trudny dla konwertera - zwłaszcza w kwestii stosunku sygnału do szumu. W realnym świecie, to właśnie jakość konwerterów ogranicza jakość systemu jako całości. To dlatego Benchmark stosuje tłumiki na wyjściu swoich przetworników DAC1, DAC2 i DAC3. Pozwalają one dopasować poziom wyjściowy konwerterów do wymagań kolejnych ogniw łańcucha systemu [zwykle - wzmacniaczy mocy]. Pozwala to zminimalizować wykorzystanie cyfrowej regulacji wzmocnienia. W aplikacjach analog-do-analogu, kaskada przetworników A/D - D/A prowadziłaby do otrzymania nadmiernego szumu i zniekształceń THD.

Regulacja oparta na przekaźnikach

W teorii, zespoły rezystorów sterowane za pomocą przekaźników mogą dać jakość bliską perfekcji. Benchmark zbadał dokładnie kilka takich układów i w każdym odkrył kwestie wyraźnie pogarszające jakość brzmienia. W większości przypadków, zbyt wysoka impedancja nie pozwala osiągnąć wymaganego poziomu szumu. Zastosowanie rezystorów o niższej impedancji generuje inne problemy. Niższa impedancja ujawnia, na przykład, przesłuchy między kanałami wynikające z wadliwego zaprojektowania przebiegu ścieżek na płytkach. Prowadzi również do przeciążenia komponentów znajdujących się wcześniej w łańcuchu systemu, co prowadzi do generowania zniekształceń. Zmiana poziomu głośności wywoływała też wyraźnie słyszalne trzaski i kliknięcia, co dotyczyło wszystkich testowanych konstrukcji.Zastosowanie przekaźników wymagało więc od firmy Benchmark opracowania własnego sposobu ich wykorzystania.

Aktywny 256-krokowy układ regulacji głośności Benchmark

Benchmark zaprojektował układ składający się z 16-krokowego stopnia wzmacniającego o bardzo niskiej impedancji, sygnał z którego trafia do 256-krokowego attenuatora o bardzo niskiej impedancji. W każdym kanale znajduje się 12 przekaźników DPDT ze złotymi stykami oraz 64 precyzyjne rezystory. Każdy ze stopni jest całkowicie balansowany i zbuforowany. Zaprojektowanie układu zbalansowanego pozwoliło zmniejszyć poziom szumu o 3dB oraz zwiększyć odporność na szum pochodzący z zewnątrz. Odpowiednie bufory zapewniają odpowiednio wysoką impedancję wejść i niską impedancję wyjść. Oznacza to, że układ regulacji głośności opracowany przez firmę Benchmark stanowi minimalne obciążenie dla komponentów systemu znajdujących się przed nim i pozwala na swobodne napędzanie wzmacniaczy leżących za nim. Buforowanie pozwala także na wykorzystanie rezystorów o niskiej rezystancji, co redukuje szum termalny generowany przez układ wzmacniający.

Precyzyjna regulacja tempa zamykania przekaźników

Benchmark wyeliminował trzaski i stuki produkowane zwykle przez obecność przekaźników w torze sygnału. Aby to osiągnąć, pracą sterowników kierują programowalne bramki FPGA a nie - jak zwykle - mikroprocesory. Wykorzystanie bramek pozwala na bardzo precyzyjne określenie czasu i tempa każdego zamknięcia przekaźnika, dzięki czemu podczas zmiany głośności nie są generowane żadne niepożądane dźwięki a sama zmiana może być dokonywana szybko i płynnie.

Wybór rezystorów

Rezystory mogą być źródłem zniekształceń z powodu zmian wartości rezystancji wynikającej z nieustannych wahań ich temperatury w trakcie pracy z częstotliwościami audio. Aby tego uniknąć, Benchmark stosuje precyzyjne rezystory foliowe wybrane ze względu na stabilność parametrów pracy w zmiennych temperaturach. Dodatkowo, rezystory te mają rozmiar większy od koniecznego do rozproszenia odpowiedniej ilości energii. Im większy rozmiar, tym niższy poziom efektów termicznych.

Mit ’całkowitej pasywności’

Wiele osób rozumie, że aktywne bufory wprowadzają do sygnału muzycznego szum i zniekształcenia. Niestety, wiele osób uważa też - bezpodstawnie - że komponenty aktywne są jedynym źródłem szumu i zniekształceń w układach audio. Prawda jest inna: to komponenty pasywne są głównym źródłem szumu i zniekształceń w układach audio!

W poszukiwaniu doskonałości, wielu audiofilów trzyma się kurczowo mitu o ’całkowitej pasywności’. To pewnie dlatego większość attenuatorów wykorzystujących przekaźniki to konstrukcje pasywne. Na pierwszy rzut oka bowiem, ’całkowita pasywność’ wygląda na dobry pomysł.

Niski szum wymaga niskiej impedancji

Wielu audiofilów nie zdaje sobie sprawy, że pojedynczy rezystor może tworzyć więcej szumu niż przyzwoity aktywny bufor. Oto przykład: wzmacniacz operacyjny LME49860 generuje tyle samo szumu, co rezystor 440Ω. Oznacza to, że LME49860 jest o 13,6dB cichszy od szumu termalnego tworzonego przez pojedynczy rezystor 10kΩ! Bufory pozwalają na zastosowanie w drabince tłumika elementów o znacznie niższej impedancji. Obniżenie impedancji pozwala zaś stworzyć układy aktywne znacznie cichsze niż projekty całkowicie pasywne. Niski szum jest możliwy tylko kiedy rezystory mają niską impedancję a poziom sygnału jest wysoki.

Układy pasywne wymagają kompromisu między szumem a zniekształceniami

Jeżeli impedancja układu całkowicie pasywnego zostanie obniżona, można zredukować poziom szumu, ale oznacza to większe zniekształcenia. Wynika to z wzrostu obciążenia komponentów systemu znajdujących się dalej w łańcuchu. Kiedy bowiem wyjście audio jest przeciążone, rośnie ilość zniekształceń. W przeciwieństwie do popularnego mitu, dodanie aktywnego wysokiej klasy może prowadzić do obniżenia poziomu zniekształceń.

Układy pasywne mogą wpływać na odpowiedź częstotliwościową

Kolejnym problemem układów całkowicie pasywnych jest fakt, że czasem nie zapewniają one energii wystarczającej do napędzenia kolejnych komponentów systemu. Kapacytancja przewodów i układów wejściowych może prowadzić do ściszenia najwyższych częstotliwości. Co gorsze, odpowiedź częstotliwościowa może ulegać zmianie wraz ze zmianą poziomu głośności za pomocą tłumika pasywnego. Do utrzymania szerokiego pasma przenoszenia konieczna jest niska impedancja wyjścia. Bufory wyjściowe są więc niezbędne w celu zachowania założonej odpowiedzi częstotliwościowej.

Analiza całkowicie pasywnych tłumików pod względem szumu i zniekształceń

W całkowicie pasywnych attenuatorach badanych w laboratoriach firmy Benchmark, szum termalny generowany przez rezystory o wysokiej impedancji był znacznie wyższy od tego, co da się osiągnąć w dobrze zaprojektowanych układach buforowanych. Co więcej, obciążenie związane z obecnością pasywnych tłumików wywoływało generowanie zniekształceń przez komponenty wcześniejsze w łańcuchu systemu. Stało się jasne, że nowy projekt firmy Benchmark będzie wykorzystywać aktywne bufory.

Wybór buforu

Benchmark wybrał opampy LME49860 z powodu ich wyjątkowej jakości, zwłaszcza w kwestii poziomu osiąganych zniekształceń harmonicznych i intermodulacyjnych, oraz dużego skoku użytecznego napięcia i możliwości napędzania nawet ciężkich obciążeń. Wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego zaszyto 16-stopniową drabinkę wzmacniającą. Drugi z buforów związany jest z 256-stopniowym tłumikiem wejściowym a trzeci bufor zasila wyjście. Każdy z buforów jest w rzeczywistości zbalansowaną parą - cała ścieżka sygnału jest w pełni zbalansowana. Drugi bufor działa także jak precyzyjny, zbalansowany, wzmacniacz różnicowy dostarczający zbalansowany napięciowo sygnał do stopnia tłumiącego. Wzmacniacz różnicowy zwiększa poziom napięcia dostępnego dla 256-stopniowego tłumika obniżając jednocześnie poziom interferencji.

256 kroków ze skokiem 0,5 dB

W urządzeniach audio nie spotyka się właściwie tłumików o więcej niż 64 stopniach. Wynika to z faktu, że wzrost ilości dostępnych stopni tłumienia [czyli poziomów ustawianej głośności] wymaga dramatycznego wzrostu precyzji stosowanych rezystorów. Aby skonstruować attenuator o 256 stopniach ze stałym skokiem 0,5dB, Benchmark musiał zastosować wyjątkowo precyzyjne rezystory [dobierane z tolerancją 0,1%. Zastosowanie typowych rezystorów [tolerancja 1%] prowadziłoby do sporych niedokładności w regulacji głośności oraz zaburzenia równowagi kanałów.

Praktycznie doskonała równowaga kanałów

Rezystory o tolerancji 0,1% pozwalają zachować doskonałą równowagę kanałów w całym zakresie regulacji głośności obejmującym łącznie 128dB. Stopnie wzmacniające i attenuatory mają budowę dual-mono, co pozwala na niezależną regulację prawego i lewego kanału. Benchmark wykorzystuje to umożliwiając precyzyjną kontrolę równowagi kanałów w całym zakresie głośności.

DANE TECHNICZNE

Pomiar wyjść i wejść zbalansowanych przedwzmacniacza liniowego Benchmark HPA4