Elektroniputkilla toimivan kitaravahvistimen tutkiminen: tyyppitapauksena VOX AC30

AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos Ari Viitala Elektroniputkilla toimivan kitaravahvistimen tutkiminen: tyyppitapauksena VOX AC30 Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 11.6.2010 Työn valvoja: Työn ohjaaja: Professori Matti Karjalainen Tekniikan tohtori Jyri Pakarinen

AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tekijä: Ari Viitala DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Työn nimi: Päivämäärä: Tiedekunta: Laitos: Professuuri: Työn valvoja: Työn ohjaaja: Elektroniputkilla toimivan kitaravahvistimen tutkiminen: tyyppitapauksena VOX AC30 11. kesäkuuta 2010 Sivumäärä: 88 Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos S-89 Akustiikka ja äänenkäsittelytekniikka Professori Matti Karjalainen Tekniikan tohtori Jyri Pakarinen Elektroniputki 1 on läpi vuosikymmenten säilyttänyt arvostetun asemansa etenkin ammattitason kitaravahvistimien aktiivisena komponenttina. Suosiolle on esitetty useita eri syitä, mutta yleisimpänä kuitenkin pidetään putkivahvistimen luonnostaan miellyttävää ääntä, mistä kuulee usein käytettävän termejä kuten lämmin ja rikas. Putkivahvistimien huonoihin puoliin lukeutuu pääasiassa se, että ne ovat tyypillisesti selvästi suurempia, raskaampia ja kalliimpia kuin vastaavat transistorivahvistimet. Putket ovat myös kuluvia ja mekaanisesti melko herkkiä komponentteja. Lisäksi yhdestä putkilla toimivasta kitaravahvistimesta saatava soundien 2 kirjo on yleensä melko suppea, joten jos kitaristi haluaa enemmän vaihtelevuutta soundiin, hänen täytyy käyttää useampia vahvistimia. Edellä mainitut seikat ovat luoneet markkinat simuloiville ja mallintaville vahvistimille, joilla pyritään putkivahvistimen sointiin ilman kyseisen vahvistintyypin haittapuolia. Tietotekniikan kehityksen myötä erityisesti digitaalinen signaalinkäsittely eli DSP (Digital Signal Processing), on noussut merkittäväksi mallinnustekniikaksi. Tämän diplomityön tavoitteena on tuottaa tutkimustuloksia putkivahvistimien soundiin vaikuttavista tekijöistä kitaravahvistinmallinnusta varten, mutta myös yleisesti koota aiheesta tietoa yksiin kansiin. Tavoitteeseen on tarkoitus päästä sekä teoriaa tutkimalla että käytännön mittauksia tekemällä ja tuloksia analysoimalla. Mittauksia tehdään erilliselle ECC83/12AX7- kaksoistriodille sekä työtä varten rakentamalleni VOX AC30 -kitaravahvistimelle. 1 Yleensä käytetään vain sanaa putki. Ks. avainsanat. 2 Soundi/saundi (sound) on hyvin vakiintunut sana alalla eikä parempaa suomenkielistä vastinetta käytännössä ole. Toisinaan käytetään myös sanaa sointi (tone). Avainsanat: Kitaravahvistin, (elektroni)putkivahvistin, (elektroni)putki, epälineaarisuus, särö, soundi, sointi. i

AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Author: Ari Viitala ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Name of the Work: Date: Faculty: Department: Professorship: Supervisor: Instructor: Examination of Vacuum Tube Guitar Amplifier: VOX AC30 as a Type Case June 11, 2010 Number of Pages: 88 Faculty of Engineering and Architecture Department of Engineering Design and Production S-89 Acoustics and Audio Signal Processing Professor Matti Karjalainen Jyri Pakarinen D.Sc. (Tech.) Through the recent decades, the vacuum tube 3 has retained its appreciated status as an active component especially in professional level guitar amplifiers. Several reasons have been stated to contribute to the popularity. However, the most commonly reason has been the naturally pleasant sound of a tube amplifier. Terms like warm and rich are frequently used to describe it. The main disadvantages of tube amplifiers are typically greater size, mass and price compared to a corresponding solid state amplifiers. Tubes also wear out and are mechanically rather sensitive. In addition, the palette of sounds from a single tube amplifier is usually quite narrow. Hence, if a guitar player wants more variability, he/she has to use several amplifiers. Due to the aforementioned issues, markets for simulating and modeling amplifiers have arisen. These amplifiers strive to achieve the tone of a tube amplifier without its disadvantages. Along with the development of information technology, especially Digital Signal Processing a.k.a. DSP has become a remarkable modeling technique. The main target of this thesis is to examine the factors that affect the sound of a tube amplifier, and thus produce results for guitar amplifier modeling. The methods to achieve this goal are examining the theory and accomplishing certain measurements, and finally analyzing these results. These measurements are done to a separate ECC83/12AX7 double triode and to VOX AC30 guitar amplifier which I have built for this thesis. 3 Generally only the word tube is used. See keywords. Keywords: Guitar Amplifier, (Vacuum) Tube Amplifier, (Thermionic) Valve Amplifier, (Vacuum) Tube, Electron Tube, (Thermionic) Valve, Nonlinearity, Distortion, Sound, Tone. ii

Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunnalle. Vahvistimen rakennus ja mittaukset suoritettiin Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitoksen tiloissa. Ensimmäisenä haluan kiittää professori Matti Karjalaista (1946 2010) ja tekniikan tohtori Jyri Pakarista erittäin mielenkiintoisesta tutkimusaiheesta. Heidän kanssaan käymistä lukuisista keskusteluista ja saamistani neuvoista oli suuresti apua työn kirjoittamisessa. Samalla kiitän Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitosta diplomityön rahoituksesta. Kiitän myös ystäviäni tuesta ja diplomityötä koskevasta palautteesta, sekä Mikko Kankaanpäätä (Uraltone Amplification Oy) teknisestä avusta. Lopuksi erityisen lämpimän kiitoksen tahdon osoittaa vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet minua kaikki nämä vuodet. Espoossa kesäkuun 11. päivänä 2010 Ari Viitala iii

Sisällysluettelo Diplomityön tiivistelmä... i Abstract of the Master s Thesis... ii Alkusanat... iii Sisällysluettelo... iv Symboli- ja lyhenneluettelo... vi 1 JOHDANTO... 1 1.1 Tutkimuksen taustaa... 1 1.2 Tutkimuksen tavoitteita... 2 1.3 Tutkimusmenetelmistä ja työn sisällöstä... 2 2 VAHVISTIMET... 4 2.1 Yleistä vahvistimista... 4 2.2 Jako käyttötarkoituksen mukaan... 7 2.3 Vahvistinasteet... 7 2.3.1 Esivahvistin... 8 2.3.2 Päätevahvistin... 8 2.4 Virtalähde... 9 2.5 Lähtö- ja tuloimpedanssin merkitys... 10 2.5.1 Impedanssisovituksen vaikutuksista... 11 2.5.2 Heijastusilmiö... 13 2.6 Särö, soundi ja kuulon toiminta... 14 2.6.1 Harmoninen särö... 14 2.6.2 Keskeismodulaatiosärö... 15 2.6.3 Transienttisärö... 16 2.6.4 Vaihesärö... 16 2.6.5 Blokkaussärö... 17 2.6.6 Ylimenosärö... 17 2.6.7 Katsaus äänen miellyttävyyteen ja työn lähdeviitteisiin... 18 3 ELEKTRONIPUTKIVAHVISTIMET... 21 3.1 Yleistä elektroniputkivahvistimista... 21 3.2 Historiaa... 22 3.3 Triodi... 22 3.4 Pentodi... 26 3.5 Toimintaluokat... 28 3.5.1 Toimintapiste ja bias... 29 3.5.2 A-luokka... 30 3.5.3 AB-luokka... 31 3.5.4 B-luokka... 32 3.6 Vahvistintopologiat... 33 3.6.1 Single-Ended... 33 3.6.2 Double-Ended / Push-Pull / vuorovaihekytkentä... 34 3.7 Audiomuuntajat... 36 3.7.1 Audiomuuntajan tehtäviä ja ominaisuuksia... 36 3.7.2 SE- ja vuorovaihekytkennän muuntajien eroja... 39 3.7.3 Muuntajien epäideaalisuuksia... 39 3.8 Elektroniputkien ominaisuuksista yleisesti ja vertailua transistoreihin... 40 iv

4 KITARAVAHVISTIN VOX AC30... 42 4.1 Yleistä elektroniputkilla toimivista kitaravahvistimista... 42 4.2 Särön muodostaminen kitaravahvistimissa... 43 4.3 AC30 historiaa ja tekniikkaa yleisesti... 44 4.4 AC30 esivahvistin... 45 4.5 AC30 katodiseuraaja... 49 4.6 AC30 sävynsäädinpiiri... 50 4.7 AC30 vaiheenkääntäjä... 51 4.8 AC30 päätevahvistin... 53 4.9 AC30 virtalähde... 57 4.9.1 Käyttö- ja suojahilajännitteet... 58 4.9.2 Hehkujännitteet... 60 4.10 AC30 rakentaminen ja käytännön vaikutus äänenlaatuun... 61 4.10.1 Rakenteesta yleisesti... 61 4.10.2 Häiriösuojaus... 62 4.10.3 Käyttöturvallisuus ja maadoitus... 64 4.10.4 Komponentit ja johdotus... 65 4.10.5 Komponenttien paikat... 66 5 MITTAUKSET... 67 5.1 ECC83/12AX7-triodin erillismittaus... 67 5.2 AC30 päätevahvistimen mittaukset... 69 5.2.1 Magnitudivastemittaukset... 72 5.2.2 Amplitudipyyhkäisymittaukset... 73 5.2.3 Sinipurskemittaukset... 78 6 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 80 LÄHDELUETTELO... 83 v

Symboli- ja lyhenneluettelo Latinalaiset aakkoset a Anodi A Amplitudi B Bulb eli lamppu C [F] Kapasitanssi/kondensaattori e s [V] Vaihtojännitelähde E [V tai J] Tasajännitelähde tai energia E ak [V] Tasajännitelähde anodin ja katodin väliselle jännitteelle E gk [V] Tasajännitelähde hila katodi -jännitteelle E gk [V] Tasajännitelähde biasjännitteelle eli tasajänniteosalle E h [V] Tasajännitelähde hehkujännitteelle f [Hz] Taajuus f a [Hz] Alarajataajuus ( 3 db) f y [Hz] Ylärajataajuus ( 3 db) f 1 [Hz] Perustaajuus/moodi f 3dB [Hz] 3 db rajataajuus F [N] Voima g Ohjaushila g m [S] Transkonduktanssi I [A] Virta I a [A] Anodivirta I a [A] Anodin tasa/lepovirtaosa eli toimintapiste I g [V] Hilavirta I k [V] Katodivirta I s [A] Suojahilavirta j Imaginääriyksikkö k Katodi L [H] Induktanssi/kela N Käämin kierroslukumäärä p [Pa] Paine P [W] Teho P a [W] Anodihäviöteho P in [W] Sisääntuleva teho P out [W] Ulostuleva teho q [m 3 /s] Tilavuusvirta r Jarruhila R [ ] Resistanssi/vastus R a [ ] Anodivastus R ch [ ] Latausresistanssi R g [ ] Hilavuotovastus vi

R i [ ] Putken sisäinen vastus R k [ ] Katodivastus R L [ ] Kuormaresistanssi yleisesti s Suojahila t [s] Aika T1 Ulostulon audiomuuntaja eli päätemuuntaja T2 Verkkomuuntaja u [V] Vaihtojännite u AC [V] Rippelijännite u in [V] Sisääntuleva vaihtojännite u L [V] Kuorman yli vaikuttava vaihtojännite u out [V] Ulostuleva vaihtojännite u s [V] Sisäisen impedanssin yli vaikuttava vaihtojännite U [V] Jännite U a [V] Anodijännite U a [V] Anodin lepo/tasajänniteosa U ak [V] Anodi katodi -jännite U B [V] Käyttö/syöttöjännite U E [V] Jännitelähteen lähdejännite U g [V] Hilan jännite U gk [V] Hila katodi -jännite U gk [V] Hilan ja katodin välinen tasajänniteosa eli biasjännite U in [V] Sisääntuleva jännite U k [V] Katodin jännite U k [V] Katodin lepo/tasajänniteosa U out [V] Ulostuleva jännite U r [V] Jarruhilan jännite U Ro [V] Vastuskuorman yli mitattu jännite U s [V] Suojahilan jännite v [m/s] Nopeus V Elektroniputki tai jännitemittari VR [ ] Säätövastus (Variable Resistor) X [ ] Reaktanssi X C [ ] Kapasitiivinen reaktanssi X L [ ] Induktiivinen reaktanssi Z [ ] Impedanssi Z S [ ] Sisäinen impedanssi Z L [ ] Kuormaimpedanssi Z LN [ ] Pääteputkien näkemä kuormaimpedanssi Z in [ ] Tulo/ottoimpedanssi Z out [ ] Lähtö/antoimpedanssi vii

Kreikkalaiset aakkoset Jännitevahvistuskerroin g [s] Ryhmäviive [rad] Lähdön ja tulon välinen vaihe-ero [rad/s] Kulmataajuus Lyhenteet AC Alternating Current, viittaa käytännössä vaihtosähköön DAQ Data Acquisition eli datan/tiedonkeruu DC Direct Current, viittaa käytännössä tasasähköön DCR [ ] Tasavirtaresistanssi DE Double-Ended eli vuorovaihekytkentä DSP Digital Signal Processing eli digitaalinen sign. käsittely ECC83 Eräs kaksoistriodi, 12AX7:n eurooppalainen merkintätapa EL84 Eräs pentodi, 6BQ5:n eurooppalainen merkintätapa EQ Equalizer eli taajuuskorjain/sävynsäädinpiiri FFT Fast Fourier Transform eli nopea Fourier-muunnos GZ34 Eräs tasasuuntaajaputki HiFi High Fidelity eli korkea toistokyky HI-Z Korkean impedanssin sisääntulo LO-Z Matalan impedanssin sisääntulo OTL Output Transformerless eli päätemuuntajaton RCA Radio Corporation of America RMS Root Mean Square eli neliöllinen keskiarvo SE Single-Ended T&I SL Tason ja impedanssin sovituslaite USB Universal Serial Bus VAC [V] Vaihtojännite 6BQ5 Eräs pentodi, EL84:n amerikkalainen merkintätapa 12AX7 Eräs kaksoistriodi, ECC83:n amerikkalainen merkintätapa viii

1 JOHDANTO Tässä luvussa käydään lyhyesti läpi diplomityön taustaa, tavoitteita sekä tutkimusmenetelmiä ja työn sisältöä. 1.1 Tutkimuksen taustaa Audiovahvistimia toteutetaan käytännössä kahdella tekniikalla; transistoreilla tai putkilla, sekä toisinaan näiden yhdistelmillä. Putki on yli 100 vuotta vanha keksintö, ja se on sähkökitaran ja vahvistimen yhteisen historian alusta asti säilyttänyt arvostetun asemansa etenkin ammattitason kitaravahvistimien aktiivisena komponenttina [1, s. 3-5]. Kitaravahvistinvalmistajat havaitsivat aikanaan, että vaikka transistorit keksimisensä (v. 1948) jälkeen yleistyivät voimakkaasti kaikkialla elektroniikassa, kitaristit jatkoivat putkivahvistimien suosimista. Tälle on esitetty erilaisia syitä: ennen transistorin vallankumousta putkitekniikka oli ainoa olemassa oleva ratkaisu vahvistaa audiosignaalia sähköisesti, ja tällä tekniikalla luotiin myös ensimmäiset sähkökitarasoundit. Etenkin rock n roll musiikin tultua suosioon 1950- ja 60-luvuilla, on arveltu, että putkivahvistimilla luodusta kitarasoundista tuli eräänlainen standardi, edelläkävijä, minkä ajatellaan olevan yksi syy putkilla toimivien kitaravahvistimien suosiolle. Yleisempänä syynä kuitenkin pidetään tämän vahvistintyypin luonnostaan miellyttävää ääntä, mistä kuulee usein käytettävän termejä kuten lämmin ja rikas [1, s. 4-1], [2], [3], [4]. Nämä äänelliset syyt ja myös erot transistorivahvistimiin johtuvat pääasiassa siitä, kuinka vahvistin käyttäytyy toiminnan siirtyessä epälineaariselle alueelle. [5, s. 54], [6, s. 275], [3, s. 1] Putkivahvistimilla on yleisesti ottaen kuitenkin myös useita haittapuolia. Aivan ensimmäisenä, ne ovat tyypillisesti selvästi suurempia, raskaampia ja kalliimpia kuin vastaavat transistorivahvistimet. Putket ovat lisäksi kuluvia komponentteja ja mekaanisesti melko herkkiä rikkoontumaan. Putkivahvistimen soundi on yleensä myös melko suuresti riippuvainen äänenvoimakkuudesta ja eräänlaisena haittapuolena voidaan pitää sitäkin, että yhdestä putkilla toimivasta kitaravahvistimesta saatava soundimaailma ei tavallisesti ole kovin monipuolinen. Viimeksi mainittu tarkoittaa sitä, että jos kitaristi haluaa enemmän vaihtelevuutta, hänen täytyy käyttää useampia vahvistimia [5, s. 58], [7]. Toisaalta nykyään on myös kehitetty erilaisia tekniikoita, joilla yhdestä putkilla toimivasta kitaravahvistimesta voidaan saada laaja kirjo eri soundeja [8]. Eräs tällainen on niin sanottu tehon skaalaus (Power Scaling), jolla pyritään vähentämään juuri soinnin ja äänenvoimakkuuden riippuvuutta toisistaan. Kolikolla on kuitenkin kääntöpuolensa, sillä yleensä kaikenlainen lisätekniikka kasvattaa myös laitteen hintaa. Edellä mainitut seikat ovat luoneet tarpeen simuloiville ja mallintaville kitaravahvistimille, joilla pyritään putkivahvistimen soundiin ilman mainittuja haittapuolia. Tietotekniikan kehityksen myötä erityisesti digitaalinen signaalinkäsittely eli DSP (Digital Signal Processing) on noussut merkittäväksi mallinnustekniikaksi. Tällaisessa vahvistimessa eriytetään fyysisesti signaalia vahvistava ja prosessoiva osa. Haasteena mallinnuksessa on se, kuinka signaalia tulisi prosessoida, jotta vahvistinmalli kuulostaisi oikealta. Putkivahvistimen toiminnan siirryttyä epälineaariselle alueelle ilmiöt saattavat olla hyvinkin monimutkaisia. Kokonaisuutena katsoen koko audioketju (sähkökitara vahvistin kaiutin) on täynnä sekä lineaarista että epälineaarista säröä synnyttäviä komponentteja, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Esimerkiksi sisääntulevan 1

signaalin amplitudin kaksinkertaistaminen ei välttämättä kaksinkertaista ulostulevan signaalin amplitudia, minkä lisäksi tämä signaali saattaa olla prosessoitunut vaikeasti ymmärrettävällä tavalla. Jotta vahvistinmallia voidaan kehittää yhä paremmaksi, tulee vastaavasti ymmärtää yhä tarkemmin putkivahvistimen sisällä olevia elektronisia piirejä, komponentteja ja yksittäisiä elektronisia ilmiöitä. [9] 1.2 Tutkimuksen tavoitteita Diplomityön päätavoitteena on tuottaa tutkimustuloksia digitaalista vahvistinmallinnusta varten siitä, kuinka ja mitkä eri tekijät vaikuttavat putkilla toimivan kitaravahvistimen soundiin. Näitä tekijöitä ovat muun muassa hilavirran vaikutus, biasjännitteen muutokset kuormituksen aikana, päätevahvistimen särökäyttäytyminen sekä yleensäkin kaikenlaiset epälineaariset ilmiöt. Toiseksi työn tavoitteeksi on muodostunut koota yleisesti tietoa putkilla toimivista kitaravahvistimista, koska etenkin suomen kielellä aiheesta on hyvin vähän kirjallisuutta. Nämä kaksi tavoitetta myös tukevat toisiaan. 1.3 Tutkimusmenetelmistä ja työn sisällöstä Diplomityön teoriatutkimus pohjautuu pääasiassa alan kirjallisuuteen, tieteellisiin julkaisuihin sekä osaksi myös Internetin tarjontaan. Käytännön tutkimusta on tehty mittaamalla erillistä ECC83/12AX7-triodia sekä työtä varten rakentamaani VOX AC30 -kitaravahvistinta, ja näitä mittaustuloksia analysoimalla. Putkivahvistimien äänellisiä perussyitä ymmärretään nykyään kokonaisuutena melko hyvin, ja tässä diplomityössä siis tutkitaan tyypillisen putkilla toimivan kitaravahvistimen soundiin vaikuttavia tekijöitä. Näitä tekijöitä tullaan peilaamaan myös ihmiskuulon toimintaan, samalla huomioon ottaen, että tutkimusaihe on muutoinkin hyvin subjektiivinen. Audioketjun muillakin osilla on luonnollisesti suuresti vaikutusta soundiin, joten myös niiden merkitystä tullaan osaltaan käsittelemään. Tämä johtaa periaatteessa siihen, että vastaavasti akustiikkakin täytyisi huomioida, mutta tutkimusaihe on rajattu tarkastelemaan pääasiassa vahvistimen vaikutusta. Kaikkea ei luonnollisesti voida käsitellä kovin yksityiskohtaisesti, joten lukija ohjataan tarvittaessa etsimään lisätietoa lähdeviitteiden kautta. Työn rakenne on hierarkkinen. Luvussa 2 kerrotaan vahvistimista yleisellä tasolla ja elektroniikkaan perehdytään pintapuolisesti. Luvussa 3 alue rajataan elektroniputkivahvistimiin sekä niille ominaisiin piirteisiin ja komponentteihin. Elektroniikkaa käsitellään lukua 2 syvällisemmin. Luku 4 keskittyy putkivahvistimien toiminnan selvittämiseen piirikaaviotasolla VOX AC30 - kitaravahvistimen toimiessa tyyppitapauksena. Elektroniikkaa tarkastellaan yhä enemmän nimenomaan soundin ja äänenlaadun kannalta. Luku 5 käsittelee diplomityötä varten tehtyjä mittauksia ja niistä saatuja tutkimustuloksia. Luvussa 6 diplomityö summataan kokonaisuutena. Seuraavassa on lisäksi joitakin työhön liittyviä huomioita. Lukijalla oletetaan olevan perustiedot akustiikasta ja signaalinkäsittelystä sekä sähkötekniikasta ja elektroniikasta. Työssä jännitteiden arvot ovat aina suhteessa maapotentiaaliin (0 V), ellei toisin mainita. 2

Tässä vaiheessa on syytä myös erottaa käsitteet elektronivirta, jonka suunta on negatiivisesta positiiviseen, sekä sähkövirta (usein pelkkä virta), jonka suunta on päinvastainen. Putkivahvistimien tapauksessa toisinaan mielellään käsitellään elektronivirtaa, etenkin putken toimintaa kuvattaessa. Jännite- ja virtasuureita merkitään isolla kirjaimella, kun viitataan yleisesti tasasähköosaan. Suureet ovat alleviivattu, jos erityisesti halutaan korostaa tasasähköosaa. Toisinaan raja on hieman häilyvä milloin näin tulisi tehdä, mutta eräs tällainen on esimerkiksi putken biasjännite. Jännite- ja virtasuureita merkitään pienellä kirjaimella, jos viitataan ainoastaan vaihtosähköosaan. Vahvistimella tarkoitetaan tässä työssä elektronista, analogista audiovahvistinta ellei toisin mainita, kuten myös putkella tarkoitetaan elektroniputkea. Vastaavasti komponentilla tarkoitetaan elektronista komponenttia, ellei erikseen kerrota kyseessä olevan muunlainen komponentti. ECC83/12AX7 on kaksoistriodiputki, mutta toisinaan puhutaan vain triodista tai putkesta tapauksesta riippuen mikä on sopivaa. Lähdeviitteen ollessa lauseen tai virkkeen sisällä, viitataan nimenomaiseen lauseeseen tai virkkeeseen. Viitteen ollessa kappaleen lopussa pisteen jälkeen, viitataan kyseiseen kappaleeseen. Edelleen, jos viite on erotettu tyhjällä rivillä kappaleesta, viitataan edellä olevaan lukuun. Työssä esiintyy jonkin verran myös englanninkielisiä nimityksiä ja termejä, kuten in ja out, osaksi selkeyden ja osaksi vakiintuneen käytännön vuoksi. Työn kirjoittaja ei myöskään ota vastuuta, jos tätä diplomityötä käytetään ohjeellisena lähteenä esimerkiksi vahvistinrakennuksessa tai muussa yhteydessä. 3

2 VAHVISTIMET Tässä luvussa käydään läpi audiovahvistimien perusteita, vaatimuksia ja rajoitteita yleisellä tasolla putkilla toimivien kitaravahvistimien hengessä. Luvussa 2.6 tutustutaan myös kuulon toimintaan sekä alan kirjallisuuteen. 2.1 Yleistä vahvistimista Voidaan sanoa, että ihmisellä on läpi historian ollut tarve toistaa suurempia äänenvoimakkuuksia kuin akustisesti on saavutettavissa. Audiotaajuisen äänisignaalin vahvistaminen suoraan on kuitenkin ongelmallista, joskaan ei mahdotonta [10, s. 1-45]. Sen sijaan äänen muuntaminen sähköiseksi signaaliksi, tämän vahvistaminen ja toistaminen kaiuttimesta suuremmalla äänenvoimakkuudella on verraten helppoa, etenkin nykyään. Triodi-putken keksiminen v. 1907 [1, s. 3-5] mahdollisti ensimmäistä kertaa signaalin sähköisen vahvistamisen. Sittemmin dynaamisen kaiuttimen keksiminen v. 1924 [11, s. 461 475] mullisti koko audiotekniikan kehityksen, koska sillä pystyttiin toistamaan ja tuottamaan suuria äänenvoimakkuuksia sähköisesti. Näin luotiin pohja esimerkiksi äänentoistolaitteille ja sähkökitaralle. Vahvistimella tarkoitetaan yleisesti laitetta tai piiriä, jonka kautta sisääntuleva pieni teho P in pystyy hallitsemaan ulostulevan suuren tehon P out määrää. Tämä esitetään kuvassa 1; pienellä teholla P in pystytään muuttamaan säätövastuksen VR arvoa, jolla taas voidaan hallita akulta tulevan virran I määrää ja täten tuulettimen tehoa P out. Teho on aikaan verrannollinen suure ja täten edellinen määrittely tarkoittaa myös, että vahvistimella voidaan kasvattaa signaalin amplitudia (ks. kuva 2). Kuva 1. Vahvistimen yleinen toimintaperiaate; pienellä teholla P in voidaan muuttaa säätövastuksen VR arvoa ja siten virran I ja suuren tehon P out määrää. Tuuletin toimii tasavirtamoottorilla. Säätövastuksen VR voidaan ajatella olevan yksinkertainen vahvistinpiiri. 4

Vahvistamisen käsite sen sijaan on hieman mutkikkaampi kuin vahvistimen käsite. Yleisesti ottaen vahvistamisella viitataan signaalin amplitudin kasvattamiseen, mutta peruskäsitykseen täytyy kuitenkin sisältyä aina se oletus, että signaalin kokonaisteho kasvaa eli P out > P in. Esimerkiksi muuntaja ei tästä syystä ole vahvistin, vaikka sillä voidaankin kasvattaa jännitesignaalin amplitudia. Vahvistamisesta puhuttaessa tyypillistä on verrata ulostulevan ja sisääntulevan jännitesignaalin suhdetta: u out µ =, (2.1) u in missä tarkoittaa jännitevahvistuskerrointa. Usein verrataan myös ulostulevan virtasignaalin ja sisääntulevan jännitesignaalin suhdetta, mikä on nimeltään transkonduktanssi. Vahvistimien yhtälöihin palataan tarkemmin luvussa 3. Kuvassa 1 esiintyvä säätövastus VR voisi olla esimerkiksi riittävällä tehonkestolla varustettu potentiometri. Jos tämän vastuksen arvoa pystytään muuttamaan sähköisesti (kuitenkin P in < P out ), komponenttia sanotaan aktiiviseksi eli vahvistuskykyiseksi. Aktiivinen komponentti voi siis ainoastaan vähentää tasavirran määrää, mutta epäsuorasti kasvattaa vaihtosähkön tehoa. Audiokäytössä aktiivisia komponentteja ovat pääasiassa [12, s. 201]: Transistorit, jotka voidaan edelleen jakaa kahteen pääryhmään; bipolaarija kanavatransistoreihin (mm. MOSFET). Transistorit ovat nykyään erittäin yleisiä audiokäytössä ja ne perustuvat puolijohteiden, kuten pii ja germanium (vanhemmissa laitteissa), toimintaan. Elektroniputket, joiden toiminta perustuu elektroniemissioon kuumasta kappaleesta. Integroidut piirit eli IC-piirit, kuten operaatiovahvistimet. Integroiduissa piireissä transistorit, vastukset, kondensaattorit ym. ovat pakattu yhdeksi kokonaisuudeksi, jolla säästetään tilaa. Yhteistä näille komponenteille on, että ne voivat päästää sähkövirtaa läpi vain yhteen suuntaan eli ne toimivat siis myös diodeina. Erityyppisiä audiovahvistimia ovat pääasiassa siis transistori- ja elektroniputkivahvistin. Signaalien vahvistumista havainnollistetaan kuvassa 2 yksinkertaisella elektronisella vahvistinpiirillä. Kyseessä on niin sanottu A-luokan (luku 3.5.2) SE-kytkentä (luku 3.6.1). Aktiivisena komponenttina tässä tapauksessa toimii triodi-putki (luku 3.3), mitä symboli V esittää. Kuvan 2 signaalimuodot voitaisiin vastaavasti piirtää myös kuvaan 1. Jännitelähde E saa virran kulkemaan vastuksen R ja putken läpi anodilta (a) katodille (k) ja aina maahan asti. Putken läpi kulkeman virran määrää hallitaan ohjaushilalle (g) tulevalla jännitteellä U in. Kyseessä voidaan siis ajatella olevan jänniteohjattu virtalähde. Käytännössä sisääntuloon kulkee aina jonkin verran virtaa, jolloin putken läpi kulkeman virran ohjaus vaatii myös hieman tehoa P in. Kuvasta 2 nähdään, että anodilla (a) olevan jännitesignaalin amplitudi on suurempaa kuin hilalla olevan (g) vastakkaisvaiheisen jännitesignaalin amplitudi. Jännitevahvistus on mahdollista vain, koska jännitelähteen ja putken välissä on vastus R, jota ilman jännite U a olisi sama kuin jännite U E. Tästä syystä ulostuleva teho P out on sulkeissa, koska jännitevahvistuksessa vastus R ei ole kuorma (vrt. kuvan 1 tuuletin). Jännitteet jakautuvat Kirchhoffin jännitelain mukaisesti putken (muuttuvan) vastuksen ja vastuksen R suhteessa. Sisääntulevaa virtasignaalia ei ole piirretty kuvaan, mutta 5

käytännössä se on selkeästi pienempää kuin ulostuleva virtasignaali. Virtasignaali vahvistuisi ilman vastusta R, joskaan silloin ei olisi kuormaa, mihin tämä vahvistunut virta hyödynnettäisiin. [9], [6, s. 42]. Kuten kuvissa 1 ja 2 esitetään, vahvistin sisältää karkeasti ottaen kaksi peruslohkoa: 1. Vahvistinpiiri 2. Virtalähde Kokonaisuutena asia voidaan ajatella niin, että sisääntuleva signaali moduloi epäsuorasti virtalähteestä otettua jännitettä ja/tai virtaa. Virtalähde (luku 2.4) antaa yleensä tietynsuuruista tasajännitettä vahvistinpiirille, koska aktiiviset komponentit tarvitsevat oikein toimiakseen ennen kaikkea vakiojännitteitä. Virtalähde on sähköteknisessä mielessä siis tasajännitelähde. Kuva 2. Jännite- ja virtasignaalien vahvistuminen elektronisella vahvistimella. Sisääntuleva jännitteen U in kasvattaminen vähentää putken vastusta: täten piirin virta I a kasvaa ja jännite U a laskee. R tarkoittaa vastusta ja E jännitelähdettä. Selitys signaalin U in negatiivisuudelle selviää luvussa 3. Aktiivisten komponenttien lisäksi vahvistimissa tarvitaan myös passiivisia komponentteja, joita ovat muun muassa vastukset, kondensaattorit, kelat ja muuntajat. Näitä käytetään muun muassa seuraavanlaisiin tehtäviin: Aktiivisen komponentin toimintapisteen asetukseen (luku 3.5.1) Vahvistimen signaaliominaisuuksien määrityksiin, joita ovat esim. lähtöja tuloimpedanssi (luku 2.5) sekä tehovahvistus ja siirtofunktio. Vahvistimen virtalähteissä ym. epäsuorasti vahvistimeen liittyvissä kokonaisuuksissa asettamaan jännite- ym. arvot halutunlaisiksi. 6

2.2 Jako käyttötarkoituksen mukaan Vahvistimien perustarkoitus on siis vahvistaa signaalia, mutta käytännössä ne myös aina muokkaavat alkuperäistä signaalia. Se, onko tämä tarkoituksellista vai ei, jakaa vahvistimet osaltaan ainakin kahteen luokkaan: 1. Äänentoisto eli HiFi/Hi-Fi (High Fidelity, suomeksi: korkea toistokyky/luonnonmukaisuus/todenmukaisuus) -vahvistimiin, jotka pyrkivät pitämään signaalin aaltomuodon muuttumattomana. Toisin sanoen vahvistimen tulisi käyttäytyä lineaarisesti, ainoastaan signaalin tehon kasvaessa. Särö, kohina ja kaikki muu ylimääräinen ovat epätoivottavia. 2. Ääntä muokkaaviin eli ns. soundia luoviin vahvistimiin. Särö, vääristymät magnitudivasteessa ym. ovat usein täysin tarkoituksenmukaisia. Kitaravahvistimet kuuluvat käytännössä poikkeuksetta tähän ryhmään. Toisaalta myös HiFi-vahvistimissa käytetään usein ainakin sävynsäätimiä, joilla eri taajuuksien suhteellisia voimakkuuksia voidaan muuttaa. On täysin eri asia jo suunnittelun kannalta, pyritäänkö signaali pitämään mahdollisimman alkuperäisen kaltaisena vai muokataanko sitä tietoisesti. Joidenkin vahvistimien voidaan myös ajatella olevan jostain näiden väliltä. Tällaiseksi voitaneen laskea ainakin mikrofoni-esivahvistimet, akustisen kitaran vahvistimet sekä kosketinsoittimille tarkoitetut vahvistimet, mitkä tapauksesta riippuen pyrkivät olemaan joko neutraaleja tai värittäviä. Lisäksi HiFi-ihanteesta voidaan erottaa se, pyritäänkö täydelliseen toistotarkkuuteen vai henkilökohtaisten mieltymysten maksimoimiseen. Nämä kaksi eivät välttämättä ole aina lainkaan sama asia. [13, s. 217] Edellä olevan kahtiajaon tarkoitus on estää sekaannusten syntymisen. Äänentoistovahvistimissa esimerkiksi magnitudivasteen suoruus, harmonisen särön määrä ja muut objektiiviset arvot kertovat paljon vahvistimen äänenlaadusta. Äänentoistovahvistimien piirejä voidaan myös suunnitella hyvin pitkälle matemaattisella laskennalla, jopa ilman empiirisiä kuulokokeita. Soundia luovien vahvistimien suhteen asia on lähes päinvastainen; mitatut arvot eivät välttämättä kerro paljoakaan, ja suunnittelu perustuu pitkälti kokemusperäiseen tietoon ja kuuntelukokeisiin. Yhteistä molemmille vahvistintyypeille kuitenkin on, että loppujen lopuksi kuulo ratkaisee onko lopputulos onnistunut vai ei. Tätä aihepiiriä käsitellään osaltaan luvussa 2.6. 2.3 Vahvistinasteet Vahvistinasteella tarkoitetaan yhden tai useamman aktiivisen komponentin ja siihen liittyvien passiivisten komponenttien muodostamaa kokonaisuutta [12, s. 201]. Esimerkiksi kuvan 2 piiriä voidaan myös pitää vahvistinasteena. Audiovahvistin sisältää yleensä useita vahvistinasteita muun muassa siitä syystä, että yksi aste ei useinkaan pysty tyydyttämään tarvittavaa vahvistuksen määrää. Yleisin ratkaisu on kytkeä vahvistinasteita sarjaan. Jos jokaisen aktiivisen komponentin vahvistus on m ja sarjaan kytketään n komponenttia, on kokonaisvahvistus täten m n. Toinen ratkaisu on vahvistinasteiden rinnankytkentä, jolloin vahvistukset summautuvat, eli edellisessä tapauksessa kokonaisvahvistus olisi n m. Tähän aiheeseen palataan tarkemmin luvussa 4.2. 7

Kokonaisuutena katsoen tyypillisellä audiovahvistimella vahvistetaan sekä jännitettä että virtaa [9]. Toisinaan kuitenkin yhdessä asteessa vahvistetaan enemmän toista näistä suureista. Esimerkiksi putkivahvistimen ensimmäisessä vahvistusasteessa (esivahvistin) vahvistetaan ennen kaikkea jännitettä, kun taas viimeisessä vahvistusasteessa (päätevahvistin) virtaa. Nimitykset esivahvistin ja päätevahvistin ovat myös hieman moniselitteisiä puhekielessä. Esimerkiksi HiFi-sovelluksissa esivahvistimella tarkoitetaan tyypillisesti kokonaan erillistä laitetta sävynsäätimineen, jonka merkittävin tehtävä ei välttämättä edes ole vahvistaminen. Toisinaan esivahvistimella taas tarkoitetaan vahvistimen sisäistä astetta. Sama koskee päätevahvistinta. Vahvistimet sisältävät tyypillisesti muitakin asteita kuin esija päätevahvistin, mutta nämä ovat kaksi oleellisinta kokonaisuutta ymmärtää. [14, s. 169 170] 2.3.1 Esivahvistin Esivahvistimen tehtävät riippuvat suuresti sovelluskohteesta, mutta yleisesti ottaen sen päätehtävä on vahvistaa heikko signaali vahvemmaksi ja sopivaksi seuraavalle vahvistusasteelle [14, s. 119]. Heikkotasoinen signaali on myös alttiimpi vakiosuuruisille häiriöille kuin vahvempi signaali, mistä syystä heikko signaali tulee vahvistaa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa, jotta kytkeytyneitä häiriöitä ei vahvistettaisi myöhemmissä asteissa. Putkilla toimivissa kitaravahvistimissa särön ja soundin muodostaminen nousee esivahvistimen toiseksi tärkeäksi tehtäväksi. Tässä sovelluksessa esivahvistin on tärkeässä asemassa [1, s. 4-1], koska sitä kuormitetaan pääsääntöisesti päätevahvistinta enemmän. Tähän asiaan perehdytään tarkemmin myöhemmissä luvuissa. Esivahvistin toimii myös impedanssin sovittajana lähteelle ja seuraavalle asteelle. Esimerkiksi jännitesignaaleilla korkea tuloimpedanssi on usein optimaalinen. Impedansseista ja sovituksista kerrotaan tarkemmin luvussa 2.5. Näiden lisäksi esivahvistimella sovitetaan myös signaalitaso sopivaksi. Lähteen signaalitaso saattaa vaihdella voimakkaasti riippuen lähteestä ja voi toisinaan olla voimakkaampaa kuin esivahvistimesta saatava jännitetaso. Esimerkiksi CDsoittimella antotaso voi olla jopa 2 V RMS. [14, s. 120 ja 169] Esivahvistimet toimivat lähes poikkeuksetta A-luokan SE-kytkentänä, koska se on yksinkertainen tapa toteuttaa esivahvistinaste. Kyseessä ei vielä ole suuria tehoja, joten hyötysuhteella ei ole ratkaisevaa merkitystä. A-luokan kytkentä ei myöskään tuota ylimenosäröä (luku 2.6.6), vaikka äänenlaadun kannalta tällä on yleensä merkitystä enemmän HiFi-vahvistimissa. Toimintaluokkia ja vahvistintopologioita käsitellään luvussa 3. 2.3.2 Päätevahvistin Päätevahvistimen tärkein tehtävä on vahvistaa signaali teholtaan sellaiseksi, että sillä on mahdollista kuormittaa kaiutinta riittävän äänenvoimakkuuden saavuttamiseksi [14, s. 189]. Päätevahvistin toimii tyypillisesti AB-toimintaluokassa. Toimintaluokalla on merkitystä yleisesti sekä äänenlaadun että hyötysuhteen kannalta, ja tätä aihetta tarkastellaan luvussa 3.5. Kitarakäytössä päätevahvistimella on vaikutusta myös soundiin, erityisesti kun sitä kuormitetaan raskaasti. Tehovahvistuksen lisäksi päätevahvistimen tehtävänä on impedanssisovitus kaiutinkuormalle (luku 2.5). Tällä sovituksella voidaan vaikuttaa ulostulevaan tehoon, mutta myös vahvistimen sointiin. Tätä näkökulmaa käsitellään tarkemmin AC30:n päätevahvistinta koskevassa luvussa 4.8. 8

2.4 Virtalähde Virtalähteen tehtävä on tarjota riittävästi sähkötehoa vahvistimelle, jotta se voi toimia oikein. Kuten luvussa 2.1 todettiin, virtalähde on piiriteoreettisesti yleensä ennen kaikkea tasajännitelähde, vaikkakin joihinkin piirin toimintoihin kelpaa myös vaihtojännite. Sähkötehoa tarvitaan yleensä seuraaviin tehtäviin: 1. Aktiivisten komponenttien käyttöjännitteeseen 2. Aktiivisten komponenttien biasjännitteeseen 3. Putkien katodien lämmitykseen 4. Mittareihin, merkkivaloihin yms. Putken katodin hehkulangan lämmitykseen tarvittava sähköteho voi olla joko vaihtotai tasajännitettä. Sen sijaan syöttö- ja biasjännitteen täytyy olla tasajännitettä sekä putkien että transistoreiden tapauksessa. Tämä jännite on Suomessa muodostettava 230 V / 50 Hz -verkkojännitteestä (kuva 3). Kuva 3. Virtalähteen lohkokaavio käyttöjännitteen luomiseksi kokoaaltotasasuuntauksella sekä teoreettiset jännitemuodot 1 4. Huomaa, että muunnossa jännitettä voidaan myös nostaa, kuten usein tapahtuu putkivahvistimen tapauksessa. Käyttöjännitteen muodostamista varten verkkojännite muunnetaan ensin sopivalle tasolle (kuva 3: kohdat 1-2). Putkien tapauksessa jännitettä joudutaan tyypillisesti nostamaan. Tämän jälkeen vaihtojännite tasasuunnataan joko puoliaalto- tai kokoaaltotasasuuntauksella. Kuvan 3 kohdassa 3 on kyseessä kokoaaltotasasuuntaus. Lopuksi signaali suodatetaan tasajännitteen luomiseksi. Käytännössä suodatettu signaali sisältää aina jonkin verran ns. rippelijännitettä, jonka taajuus kokoaaltotasasuuntauksessa on kaksi kertaa verkkotaajuus. Rippeliä ei siis tule sekoittaa verkkohurinaan, vaikkakin ne ovat kytköksissä toisiinsa [7, s. 2-4]. Käyttöjännite voidaan tapauksesta riippuen myös vakavoida aktiivisesti [6, s. 249], jolloin se vaihtelee vain hyvin vähän kuormituksen mukaan. HiFi-vahvistimissa vakavointi on yleistä, mutta kitaravahvistimissa harvinaista. Tämän syitä tutkitaan luvussa 4.9, jossa perehdytään muutoinkin tarkemmin virtalähteen tekniseen toteutukseen. 9

2.5 Lähtö- ja tuloimpedanssin merkitys Syöttävän laitteen lähtöimpedanssilla (tai anto/ulostuloimpedanssi) ja vastaanottavan laitteen tuloimpedanssilla (tai otto/sisääntuloimpedanssi), sekä etenkin näiden keskinäisellä suhteella on vaikutusta esimerkiksi siirtyneeseen tehoon, jännitteeseen, magnitudivasteeseen ja siten myös soundiin [15, s. 76 77]. Syöttävä lähde voi olla esimerkiksi sähkökitara ja vastaanottava laite kitaravahvistin. Taulukossa 1 impedanssien arvoja ja pareja on lueteltu enemmän. Impedanssia ei tule sekoittaa resistanssiin, joka tarkoittaa tasavirtavastusta. Impedanssin arvo riippuu yleensä taajuudesta ja tästä syystä sillä on merkitystä audiotekniikassa muutoinkin kuin ainoastaan lähtö- ja tuloimpedanssien kannalta. Esimerkiksi kondensaattori on yksi vahvistimien peruskomponenteista ja sen impedanssi vaihtelee taajuuden funktiona, koska se on perustaltaan reaktiivinen komponentti. Taajuusriippuvuudesta on sekä etua että haittaa, mihin palataan myöhemmissä luvuissa. Impedanssin käsitteen selventämiseksi määritellään aluksi kapasitiivinen reaktanssi: 1 X C =, (2.2) 2πfC missä f on taajuus ja C on kapasitanssi. Määritellään seuraavaksi induktiivinen reaktanssi, joka on: missä L on induktanssi. Sähköinen impedanssi on: X L = 2πfL, (2.3) U Z E = = R + jx, (2.4) I missä U = jännite, I = virta, R = resistanssi ja X = reaktanssi. Yhtälöstä 2.4 nähdään, että impedanssi on kompleksiluku, joka koostuu resistiivisestä ja reaktiivisesta osasta. Resistiivinen osa on siis se, joka voi suoraan kuluttaa tehoa. Reaktiivisen osan kasvattaminen vaihtovirtapiirissä ei suoraan lisää tehonkulutusta, mutta samalla jännitteellä piirin virta kasvaa, joka resistanssin läpi kulkiessaan muuttuu tehoksi. Reaktiivisesta osasta johtuvaa virrankulutusta ja sen yli vaikuttavaa jännitteen tuloa kutsutaan loistehoksi, ja todellisuudessa kulutettua tehoa pätötehoksi. Näiden termien tarkemmasta määrittelystä voi lukea lisää esimerkiksi lähteestä [6]. Impedanssista puhutaan usein vaihtovirtavastuksena, mutta se ei ole sama asia. Vaihtovirtavastus liittyy suoraan johtimien pyörrevirtailmiöön: resistanssi kasvaa taajuuden kasvaessa [6, s. 155]. Tästä syystä esimerkiksi muuntajilla tasavirtaresistanssi (DCR) ei yleensä ole sama kuin vaihtovirtaresistanssi. Konduktanssi ei myöskään aina ole resistanssin käänteisluku [6, s. 155]. Sähköisellä impedanssilla on analogia esimerkiksi sekä akustisen että mekaanisen impedanssin kanssa. Akustinen impedanssi määritellään äänenpaineen (p) ja tilavuusvirran (q) suhteena. Mekaaninen impedanssi määritellään vastaavasti voiman (F) ja nopeuden (v) suhteena. 10

Taulukko 1. Tyypillisiä lähtö- ja tuloimpedansseja. [16], [17], [18], [19] ja [20] Lähde (O) Kuorma (I) Suhde (I/O) Dynaaminen mikrofoni Esivahvistimen sisääntulo Shure SM58 Api 512C 300 1500 5 Sähkökitaran mikrofoni Kitaravahvistimen sisääntulo Stratocaster Vintage Pickup VOX AC30 (HI-Z) 24,5 k (1000 Hz) 1 M 41 Transistorivahvistimen ulostulo Kaiutin Yamaha AX-592 (nimellisimpedanssi) 0,033 8 240 Putkivahvistimen ulostulo Kaiutin VOX AC30 (nimellisimpedanssi) 8 8 1 CD-soitin Transistorivahvistimen sisääntulo Cary CDP1 Yamaha AX-592 220 47 k 210 Vahvistimien lähtö- ja tuloimpedanssit ovat usein hyvin resistiivisiä, jolloin niitä voidaan approksimoida reaalilukuvakioilla [6, s. 396]. Sen sijaan kitaran pickupmikrofonin ja kaiuttimen impedanssit ovat selkeästi enemmän reaktiivisia. Äänentoistosovelluksissa lähtö- ja tuloimpedanssit sekä näiden keskinäiset suhteet ovat usein tarkasti määriteltyjä [9]. Muun muassa HiFi-vahvistimen lähtöimpedanssin tulee lähes poikkeuksetta olla mahdollisimman pieni. Sen sijaan soundin luomisessa lähtö- ja tuloimpedanssin suhde voi tarkoituksella olla melkein mitä tahansa. Fysiikan lait kuitenkin rajoittavat osaltaan impedanssien mielivaltaisia arvoja. Näitä asioita käsitellään seuraavaksi. 2.5.1 Impedanssisovituksen vaikutuksista Audiokäytössä matalan lähtöimpedanssin ja korkean tuloimpedanssin rajapinta on usein optimaalinen [6, s. 396], [9]. Tätä kutsutaan jännitesovitukseksi ja sen suosiolle on useita syitä: Monet tärkeät aktiivikomponentit kuten elektroniputki ja MOSFETtransistori toimivat luonnostaan jänniteohjattuina [6, s. 41 43] Ohjaus ei vaadi tehoa, jos aktiivista komponenttia ohjataan pelkällä jännitesignaalilla ilman virtasignaalia. Tällöin ei siis kuormiteta lähdettä. Lähtöimpedanssin ollessa matala, lähde ei vaikuta merkittävästi taajuusriippuvaisen kuorman (kuten kaiutin) magnitudivasteeseen. Lähteen tehoa ei tällöin myöskään tuhlata tähän sisäiseen vastukseen, mitä lähtöimpedanssin resistiivinen osa on. Käytännössä sisääntuloon kuitenkin kulkee virtaa aina jonkin verran, koska tuloimpedanssit ovat äärellisiä. Tehoja siirrettäessä virran määrä yleensä kasvaa ja toisinaan optimaalisempaa onkin, että lähtöimpedanssin arvo on mahdollisimman lähellä tuloimpedanssin arvoa. Jos nämä impedanssit ovat toistensa liittolukuja, tätä kutsutaan tehosovitukseksi. Teho siirtyy tällöin kuormaan parhaiten tämän rajapinnan 11

yli [6, s. 182 183]. Audiokäytössä ei kovin usein tule vastaan tilanteita, jossa tätä sovitusta tavoiteltaisiin puhtaasti. Eräs poikkeus kuitenkin on ainakin putkivahvistimen pääteasteen ja päätemuuntajan välinen sovitus. Tätä aihetta tarkastellaan AC30:n päätevahvistimen tutkimista koskevassa luvussa 4.8. Syy miksi impedanssien keskinäisellä suhteella on suuresti merkitystä, selviää kun tutkitaan kuvan 4 korvauskytkentää. Kyseinen piiri on Théveninin ekvivalentti. Katkoviivalla merkitty alue tarkoittaa lähdettä, käytännössä esimerkiksi vahvistinta tai mikrofonia. e s on kuvitteellinen vaihtojännitelähde (ts. sähkömotorinen voima) ja Z S lähteen sisäinen impedanssi, käytännössä lähtöimpedanssi (Z out ). Z L on kuormaimpedanssi, käytännössä esimerkiksi kaiutinkuorma tai vahvistimen tuloimpedanssi (Z in ). Kuva 4. Théveninin ekvivalentti lähtö- ja tuloimpedanssin mallintamiseksi. Katkoviivalla merkitty alue on syöttävä lähde, e s = kuvitteellinen vaihtojännitelähde, Z s = lähteen sisäinen impedanssi ja Z L = kuormaimpedanssi. Kuva perustuu osittain lähteen [21] kuvaan 8-12, s. 199. Otetaan esimerkki vahvistin kaiutin -parista. Annetaan Z s :lle arvo 0,01 (tyypillinen lähtöimpedanssi transistorivahvistimelle) ja Z L :lle 8 (tyypillinen nimellinen tuloimpedanssi kaiuttimelle) ja e s = 10 V (tyypillinen arvo päätevahvistimelle). Tulo/lähtöimpedanssisuhde on nyt siis 800. u s u L Z s 0,01Ω = es = 10V 0,0125V (2.5) Z + Z 0,01Ω + 8Ω s L Z L 8Ω = es = 10V 9,988V (2.6) Z + Z 8Ω + 0,01Ω L s Tarkastellaan seuraavaksi mitä käytännön merkitystä keskinäisillä impedansseilla on. Kaiuttimen impedanssi Z L vaihtelee taajuuden funktiona ja yhtälöä 2.6 tarkastelemalla huomataan seuraavaa: Jos jännitteen e s arvo on vakio ja lähtöimpedanssi Z s suurempi kuin 0, kuorman yli vaikuttava jännite vaihtelee taajuuden funktiona. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että mitä suurempi 12

vahvistimen lähtöimpedanssi on, sitä enemmän kaiuttimen magnitudivasteen kuopat ja huiput korostuvat [22], [23, s. 25 26]. Jännitteenjakoyhtälöistä 2.5 ja 2.6 nähdään, että lähteen syöttämä jännite jakautuu vahvistimen lähtöimpedanssin Z s ja kaiuttimen tuloimpedanssin Z L suhteessa. Käytännössä vahvistimen lähtöimpedanssi on hyvin resistiivinen, joten mitä suurempi lähtöimpedanssi on, sitä enemmän (pätö)tehoa tuhlataan vahvistimen sisällä. Vastaavasti mitä pienempi sisäinen vastus on, sitä enemmän jännitettä saadaan varsinaisen kuorman yli. Kaiutin on kuorma, mutta se voi muuttua myös lähteeksi, koska kartion liike ei lakkaa välittömästi kun ohjaava signaali loppuu. Mitä matalampi vahvistimen lähtöimpedanssi on, sitä vähemmän kaiutinkartio tuottaa liikkuessaan jännitettä ja sitä nopeammin kartion liike vaimenee. Tästä syystä tulo/lähtöimpedanssin suhdetta kutsutaan myös vaimennuskertoimeksi. 2.5.2 Heijastusilmiö Tarkastellaan kuvaa 5. Kun ääniaalto etenee ilmassa (impedanssi Z 1 ) osuen esimerkiksi veteen (impedanssi Z 2 ), tiedetään että osa äänestä heijastuu takaisin toisen osan läpäistessä rajapinnan. Kuva 5. Heijastusilmiö. Impedanssierot vaikuttavat aaltojen etenemiseen rajapinnassa. Vastaava ilmiö tapahtuu myös sähköisissä piireissä, kun esimerkiksi kahden laitteen tai vahvistinasteen välillä on impedanssiero. Tällöin syntyy edestakaisia sähköisiä heijastuksia. Riippuen piirin topologiasta, ilmiöllä saattaa olla monimutkaisia ja haitallisia vaikutuksia. Yleensä heijastukset tulevat ongelmaksi kuitenkin vasta pitkillä etäisyyksillä (siirtojohdot) tai taajuuden ollessa hyvin suuri. Audiovahvistimien sisällä heijastukset eivät useinkaan ole ongelma, mutta ilmiö on kuitenkin hyvä tietää. [6, s. 90] 13

2.6 Särö, soundi ja kuulon toiminta Jotta putkivahvistimenkin soinnin syitä voidaan ymmärtää ja tutkia, täytyy ensin ymmärtää ainakin perusteet ihmiskuulon toiminnasta. Tässä luvussa asiaa käsitellään tiivistetysti, mutta alan kirjallisuuteen ja tarjontaan tehdään pienimuotoinen katsaus luvussa 2.6.7. Särön käsite on syntynyt äänentoiston myötä, koska siten on muodostunut käsitys, mitä vääristymiä alkuperäiseen toistettavaan signaaliin voi ylipäätään syntyä. Säröksi voidaan kutsua sitä osuutta tai mitä tahansa vääristymää uudelleen tuotetusta signaalista, mikä ei esiinny alkuperäisessä signaalissa. Särö ei siis aina tarkoita karheutta äänessä, vaan se voidaan havaita myös lämpimänä äänenvärinä [1, s. 4-1], [13, s. 150]. Kaksi luonteeltaan erityyppistä vääristymää ovat [13, s. 149]: a) lineaarinen vääristymä (esim. magnitudivaste- tai ryhmäviivevirhe) b) epälineaarinen vääristymä eli varsinainen särö. Lineaarinen vääristymä tarkoittaa signaalikomponenttien amplitudi ja/tai aika/vaihesuhteiden muuttumista, mutta uusia taajuuskomponentteja ei kuitenkaan synny. Tämä havaitaan äänenvärin muutoksina. Epälineaarinen vääristymä taas voi synnyttää aivan uusia taajuuskomponentteja. Tätä särötyyppiä tarkasteltaessa on syytä muistaa, että myös kuulojärjestelmä sisältää monia epälineaarisuuksia. [13, s. 149]. Kuten jo aiemmin luvussa 2.2 todettiin, kitaravahvistimissa signaalia vääristetään tietoisesti tavoitellun soundin saavuttamiseksi. Teknisessä mielessä särö ja soundi tarkoittavat hyvin samaa asiaa, näkökulmasta riippuen. Säröä voi syntyä audioketjun missä tahansa komponentissa [24, s. 458]. Seuraavissa luvuissa 2.6.1 2.6.6 tarkastellaan muutamaa yleistä särötyyppiä, joiden merkitystä peilataan tämän työn tulevissa luvuissa. 2.6.1 Harmoninen särö Harmonista säröä aiheutuu järjestelmän epälineaarisuuksista. Esimerkiksi putken ylikuormittuessa signaali saattaa leikkautua kuvan 6 mukaisesti, ja samalla syntyy harmonisia kerrannaistaajuuksia perustaajuuden lisäksi. Aktiivisten komponenttien tapauksessa leikkautumisen terävyyteen vaikuttaa muun muassa komponentin dynaaminen ominaiskäyrä (ks. esim. kuva 12) sekä mahdollinen negatiivinen takaisinkytkentä, joka tyypillisesti terävöittää leikkautumista [1, s. 6-18]. Viimeksi mainittu taas lisää korkeiden harmonisten komponenttien osuutta. Ihminen ei havaitse kovinkaan hyvin pientä määrää harmonista säröä, koska monet musiikilliset äänet sisältävät luonnostaan harmonisia kerrannaistaajuuksia [9]. 14

Kuva 6. Harmoninen särö ja sen muodostama taajuusspektri. Kuvaajien vaakaakselilla on taajuus ja pystyakselilla taajuuskomponentin amplitudi desibeleinä. Lihavoidut luvut ovat parillisia harmonisia kerrannaistaajuuksia. Perinteinen kokonaisharmonisen särön (THD, Total Harmonic Distortion) mittaus ei ole kovin hyvä indikaattori kertomaan esimerkiksi HiFi-vahvistimen äänenlaadusta puhumattakaan putkivahvistimista, koska ensinnäkään se ei ota huomioon kuinka häiritsevänä tai miellyttävänä kuulo pitää eri kerrannaistaajuuksia tai muita häiriöitä. Sen lisäksi THD-mittauksissa järjestelmää syötetään ainoastaan yhdellä siniääneksellä, kun musiikki tai muu äänitapahtuma sisältää yleensä runsaasti taajuuskomponentteja samanaikaisesti. Äänenlaadun kannalta mielekkäämpää on mitata esimerkiksi keskeismodulaatiosäröä, jota käsitellään seuraavaksi. [13, s. 150] 2.6.2 Keskeismodulaatiosärö Keskeismodulaatiosäröä syntyy järjestelmän epälineaarisuuksista vastaavasti kuten harmonistakin säröä. Erona kuitenkin on, että sisääntulevia taajuuskomponentteja on nyt kaksi tai useampia. Nämä taajuudet synnyttävät paitsi harmonisia kerrannaisia, myös alkuperäisten taajuuksien ja niiden harmonisten summa- ja erotustaajuuksia, jotka ovat yleensä musikaalisesti epäharmonisissa suhteissa alkuperäisiin taajuuksiin (kuva 7). [24, s. 459] Kuva 7. Keskeismodulaatiosärö ja syntyvät taajuuskomponentit. Harmonisia kerrannaistaajuuksia syntyy myös (vrt. kuva 6), vaikkakaan niitä ei ole suoranaisesti merkitty kuvaan. Kuvaajien vaaka-akselilla on taajuus ja pystyakselilla taajuuskomponentin amplitudi desibeleinä. 15

Keskeismodulaatiosärömittauksilla pystytään selittämään hyvin audiojärjestelmien, vahvistimien tai vaikkapa kaiuttimien eroja, vaikka esimerkiksi niiden magnitudivasteet ja harmoniset säröarvot olisivat identtisiä [3], [8, s. 2-9]. Tähän palataan osaltaan AC30:n mittauksia käsittelevässä luvussa 5. 2.6.3 Transienttisärö Transienttisäröä esiintyy, kun jokin komponentti ei pysty vastaamaan tarpeeksi nopeasti signaalin vaihteluihin, esimerkiksi lyömäsoittimia tai muita teräviä iskuääniä toistettaessa. Sitä vastoin viulun (pois lukien alun transientti) tai muun vakaan äänen toistoon tämä särö ei vaikuta [24, s. 459]. Esimerkiksi kaiuttimessa tätä särötyyppiä voi aiheutua, jos mekaanista resonanssia ei ole vaimennettu tarpeeksi hyvin ja vahvistimissa taas takaisinkytkennästä johtuvasta aikaviiveestä. Signaalin vääristyminen voi joissakin tapauksissa olla siis myös aikariippuvaa. Tätä kutsutaan myös nimellä TIM-särö (Transient Intermodulation Distortion) eli transienttikeskeismodulaatiosärö. [13, s. 151]. Kyseinen särötyyppi on nimensä mukaisesti eräänlainen transienttisärön ja keskeismodulaatiosärön risteymä. TIM särömittaukset kertovat myös hyvin audiojärjestelmien eroista [9]. 2.6.4 Vaihesärö Fourier-muunnos signaalista tuottaa kompleksisen spektrin, johon sisältyy sekä magnitudi- että vaihekäyttäytyminen. Tyypillisesti esitetään vain magnitudivaste tai kansanomaisemmin taajuusvaste. Vaihelineaarisessa vahvistimessa ulostulon ja sisääntulon välisen vaihe-eron tulisi olla suoraan verrannollinen taajuuteen, eli niin sanotun ryhmäviiveen tulisi olla vakio. Ryhmäviive määritellään seuraavasti: dϕ τ g =, (2.7) dω missä on lähdön ja tulon välinen ero radiaaneina, ja kulmataajuus. Reaktansseista johtuen ryhmäviive ei kuitenkaan yleensä ole vakio, ja tätä kutsutaan vaihesäröksi. Signaalin eri taajuuskomponentit näyttävät viivästyvän erisuuruisen ajan. Todellisuudessa varsinaista (merkityksellistä) fyysistä viivettä ei ole ellei kyseessä ole siirtolinjat tai muut pitkät etäisyydet vaan ainoastaan signaalien taajuuskomponenttien vaihekulmat muuttuvat. Eli kun signaali syötetään vahvistimen tuloon, näkyy vaste välittömästi myös lähdössä. Kuulo on melko epäherkkä tälle särötyypille, mutta tutkimus on osoittanut, että toisinaan vaiheella tai vaihemuutoksilla on selkeä vaikutus kuulohavaintoon. Vaihesäröllä onkin syy-yhteys transienttisärön kanssa; jotta transientit toistuvat tarkasti, täytyy myös ryhmäviiveen olla pieni [25, s. 12]. Yleensä vaihesärö havaitaan silloin, kun signaalin aikakäyrämuoto muuttuu selkeästi myös visuaalisesti. Usein vaihevaste jätetään kuitenkin pois, koska kuulon vaihe-epäherkkyys on usein riittävä oletus. Toisaalta on kuitenkin hyvä pitää mielessä, että tästä johtuen signaalin spektri ei ole yksikäsitteinen, vaan kahdella erilaisella signaalilla voi olla sama spektri. [13, s. 49 ja 147], [24, s. 487] 16