Czy wzmacniacze operacyjne rzeczywiście mają wpływ na dźwięk?

Wzmacniacze operacyjne i ich wpływ na dźwięk to jeden z niszowych aspektów tematyki audio. Choć rzadko poruszany czy recenzowany, temat ten chciałbym, aby był obecny na AF w formie pełnoprawnego i poważnego artykułu. Tym razem jednak podjęty zostanie nie od strony subiektywnych odczuć i wrażeń. Zamiast tego, chciałbym skupić się na zmierzeniu ich rzeczywistego wpływu na tonalność i jakość dźwięku. Artykuł ten pierwotnie był opublikowany na blogu w kwietniu zeszłego roku, ale po przerwie, odświeżeniu i wysprzątaniu jest on ponownie dostępny. Zdecydowałem się jednocześnie na wycofanie starych publikacji dot. wzmacniaczy operacyjnych z bloga, jako że oficjalnie przestaje on podejmować się tematyki recenzji takich komponentów.

Problematyka większości recenzji wzmacniaczy operacyjnych

Wiedza o tym, czym są wzmacniacze operacyjne, jest szeroko dostępna. Jej pozyskanie nie powinno sprawiać więc żadnych problemów. Problemem będzie natomiast to, że w ogromnej większości recenzji, jeśli nie wszystkich, wzmacniacze operacyjne są opisywane kompletnie bez jakichkolwiek dowodów i pomiarów. Dominują subiektywne opisy odczuć i sam również opierałem się na takim sposobie wartościowania OPAMPów. Z jednej strony była to spora frajda, ale tak naprawdę ówczesny stan wiedzy nie pozwalał mi na skuteczniejsze zaprezentowanie swoich spostrzeżeń w innej formie. Dopiero w zeszłym roku, a nawet jeszcze wcześniej, bo dwa lata temu, pojawiły się pierwsze możliwości testowe ku temu.

Czy OPAMPy różnią się?

Oczywiście. Pod względem elektrycznym albo budowy mogą to być diametralnie różne od siebie układy. Różnią się także zastosowaniami, które producent bardzo często (właściwie to chyba zawsze) umieszcza w tzw. DTR-ce, czyli dokumentacji techniczno-ruchowej. Jest tam bardzo szczegółowo opisane w jakich warunkach i z jakimi parametrami pracuje lub ma pracować dana kość.

Objętość dokumentacji również może być sygnałem dla użytkowników i konstruktorów, jak bardzo sprawdzony i dokładnie opisany został dany układ. Im dokładniej, tym mniejsze ryzyko wystąpienia problemów, takich jak praca poza zakresem zadanym czy wzbudzanie się układu.

Weźmy sobie kilka układów przykładowych.

JRC4580D

Na początek bardzo tanie JRC4580D:

Zastosowania:

• przedwzmacniacze audio,
• filtry aktywne,
• wzmacniacze słuchawkowe,
• przemysłowy sprzęt pomiarowy.

Prawdopodobnie wiele osób uważających się za audiofilów wysokiej próby ma w domu sprzęt, w którym siedzą te taniutkie układy lub ich wersje zminiaturyzowane. Co ciekawe, w zastosowaniach wymieniono również przemysłowy sprzęt pomiarowy. Układ jest tak stabilny, że rekomenduje się go nawet do takiego rodzaju urządzeń. Natomiast przy cenie dosłownie kilku zł, jego dokumentacja liczy sobie imponujące 27 stron.

NE5532D

Idźmy dalej, NE5532D, również bardzo popularny układ:

Zastosowania:

• odbiorniki audio-video,
• komputery zagnieżdżone,
• netbooki,
• platformy skalowalne i transmisja video,
• odtwarzacze i nagrywarki DVD,
• wielokanałowe transkodery video,
• profesjonalne miksery audio.

Być może nasze ulubione albumy były miksowane właśnie na tym – również jednym z najtańszych – układzie. Znów jednak mamy tu bardzo szerokie spektrum zastosowań rekomendowanych.

OPA2134AP

Podbijając nieco stawkę, popatrzmy na OPAx134, a więc układy z serii SoundPlus, dedykowane specjalnie do audio (koszt ok. 25 zł za sztukę):

Zastosowania:

• profesjonalne audio i muzyka,
• przetworniki liniowe,
• odbiorniki liniowe,
• multimedialne audio,
• filtry aktywne,
• przedwzmacniacze,
• integratory,
• sieci zwrotnicowe.

Jak widać każdy z tych układów ma swoje zastosowania i siłą rzeczy musi się w jakiś sposób różnić. Wskazuje na to chociażby pasmo przenoszenia, które maksymalnie wynosi od 8 do 12 MHz w podanych przykładach. Takich detali będzie więcej, ale nas interesuje coś zupełnie innego.

Domena elektryczna, a domena dźwiękowa

Przy wszelkich różnicach jakie OPA posiadają – a co zostało pokazane na poziomie elektrycznym w przytoczonych wyżej specyfikacjach – w domenie audio może nie mieć to dla nas żadnego znaczenia. Z prostego powodu: ponieważ pasmo przenoszenia zostało już i tak wielokrotnie przekroczone. Tak więc obojętnie, czy układ ma pasmo do 2 MHz, czy 12 MHz, słyszalnego wpływu na dźwięk uzyskiwany w słuchawkach nie będzie. Dopiero jeśli bardzo mocno zejdziemy w dół skali na poziom 20 kHz, będziemy (być może) mieli możliwość zaobserwowania czegokolwiek.

Czystość wzmacniacza operacyjnego a czystość urządzenia i odbiornika

W temacie czystości będzie identycznie. Przykładowo, OPA2134 ma THD na poziomie 0,00008%. JRC4580D ma THD na poziomie 0,0005%, a więc gorszy wynik o jeden rząd wielkości. Czy OPA2134 zagra więc czyściej? Tak. Czyli wzmacniacz operacyjny teoretycznie ma wpływ na jakość dźwięku. I tu właśnie pojawia się haczyk. Czy w praktyce będziemy w stanie to usłyszeć?

Policzmy.

THD dla OPA2134 wynoszące 0,00008% to w przeliczeniu -122 dB THD+N. Po drodze jest jeszcze setka innych elementów elektronicznych, która może spowodować pogorszenie jakości dźwięku nim ten trafi do słuchawek. Tak więc czystość faktyczna na wyjściu urządzenia może spaść nam np. do -100 dB THD+N. Jest to wciąż daleko poza zdolnościami percepcji ucha ludzkiego.

A jeśli przyjrzymy się odbiornikowi, a więc naszym słuchawkom, to okaże się, że te w tym samym punkcie pomiarowym (1 kHz) osiągną maksymalnie np. 0,1% THD+N, czyli -80 dB. Tyle również mogę realnie zmierzyć je akustycznie swoją aparaturą. Większość słuchawek mierzy się między -50 dB a -70 dB. Nie ma więc jakiejkolwiek szansy, aby zmiana wzmacniacza operacyjnego np. z JRC4580D na OPA2134PA spowodowała słyszalny skok jakościowy. Słuchawki są wielokrotnie mniej czyste niż kości które omawiamy. Dopiero drastyczne zmiany w THD+N, które możemy zaobserwować w słuchawkach, będziemy w stanie od pewnego progu słyszalności zarejestrować słuchem.

Jak można sprawdzić, czy wzmacniacz operacyjny ma wpływ na dźwięk?

Jest na to przynajmniej kilka metod, o których pisałem poprzednio w komentarzach:

1. Pomiar elektryczny: mierzymy czułą aparaturą oraz analizatorem wpływ wymiany wzmacniacza operacyjnego na sposób działania urządzenia i jego parametry. Jeśli w paśmie 20 Hz – 20 kHz nie ma różnicy, zmiany w paśmie słyszalnym nie zachodzą. Jeśli współczynnik THD nie zmienia się lub zmiana zachodzi poza zakresem percepcji, również można stwierdzić brak słyszalnych zmian.
2. Pomiar akustyczny (end-point): mierzymy na czułych słuchawkach wpływ wymiany wzmacniacza operacyjnego na dźwięk uzyskiwany na wyjściu. Tak samo jak wyżej.
3. Pomiar muzyczny (null-test): rejestrujemy odtwarzany utwór przed i po wymianie wzmacniaczy operacyjnych, nakładając na jedną ścieżkę odwrotność drugiej ścieżki. Jeśli na wyjściu zostanie się czysty szum, zmiany brzmieniowe nie zachodzą (ścieżki wzajemnie się wykluczyły).
4. Ślepy test (ABX): najbardziej znienawidzona metoda pośród audiofilów, bowiem operuje wyłącznie na słuchu i zgadywaniu w ciemno która kość jest która. Test uznaje się za zaliczony, a zmiany za niepodważalne, jeśli udaje się trafić z 80% poprawnością.

Ostatnią metodą weryfikacji jest odsłuch na własnych uszach, czyli metoda najpopularniejsza. Jednocześnie najgorsza, obarczona kolosalnym błędem i będąca w efekcie przyczynkiem całego zamieszania, a nie rzeczywistą metodą weryfikacji.

W tym artykule posłużyłem się metodą nr 2. Przytoczę też dwa przykłady metody nr 1.

Platforma testowa

OPAMPy wytypowane do testów i posiadane pod ręką:

• NE5532AP
• NE5534P (lutowane parami jako dual)
• LM833N
• OPA2134PA
• OPA2227P
• AD825 (lutowane parami jako dual)
• JRC4580D
• LT1001 (lutowane parami jako dual)
• LT1037 (obsadzane parami jako dual)

Słuchawkami testowymi były specjalnie przystosowane do takich testów Audeze LCD-XC.

Sprzętem przyjmującym kości OPA były dwa moduły:

• DAC oparty na układzie ESS Sabre ES9038Q2M z wymienną jedną kością.
• AMP oparty na czterech kościach wzmacniaczy operacyjnych.

Dodatkowy test weryfikacyjny odbył się później na starszym układzie ES9028Q2M z jedną niewymienną kością.

Wpływ wzmacniaczy operacyjnych na tonalność (pasmo przenoszenia audio)

Skupmy się najpierw na domenie dźwiękowej i końcówce systemu audio. Postawmy tezę początkową: jeśli wymiana wzmacniaczy operacyjnych słyszalnie wpływa na dźwięk, to słuchawki czytelnie na to zareagują. Warunkiem poprawności testu jest jego powtarzalność i odtwarzalność.

Przed przystąpieniem do testów pomiarowych, poświęciłem nieco czasu na zrobienie dodatkowego eksperymentu i posłuchałem sobie różnych kombinacji. Starałem się wychwycić różnice i zmiany w tonalności między układami. Bez ślepego testu i tylko w ramach zabawy, notując swoje uwagi. Faktycznie czasami wydawało mi się, że jeden zestaw OPA gra np. mocniej skrajami, a inny wprost przeciwnie jest bardziej transparentny. Zrobiłem więc dokładnie to samo, co czyniłem dawniej w starych recenzjach takich układów: operowałem wyłącznie na swoim słuchu.

Wykres tonalności wszystkich 9 kombinacji jakie wykonałem prezentuje się następująco:

Wszystkie pomiary tonalności wyszły identycznie. Audeze pozostały niewzruszone na wymianę kości, zarówno w module DAC jak i AMP. Błąd pomiarowy wyniósł 0,1 dB.

Wpływ wzmacniaczy operacyjnych na czystość dźwięku

Kolejnym krokiem było zbadanie, czy układy wpływają na czystość (THD). Wiele osób twierdziło, że słyszało wyraźną zmianę na plus w tym aspekcie.

NE5532AP:

JRC4580D:

OPA2134AP:

Wyniki są bardzo spójne. W punkcie pomiarowym w zaokrągleniu uzyskujemy od 0,21% do 0,22%. W przeliczeniu daje to nam od -53,5 dB do -53,2 dB. Zastosowanie dedykowanych do audio kości nie spowodowało zwiększenia się czystości, będąc cały czas na poziomie najtańszych NE5532D.

Pogorszenie się jakości dźwięku

Jest to niestety druga strona medalu. Często jest to efekt przekombinowania z wymianą układów i zastosowanie takich kości, które nie do końca pasują do danego urządzenia. Przy układach z jednej z kombinacji zaobserwowałem takie coś:

Widać, że coś zaczyna się dziać. Natomiast na jeszcze innej stało się takie coś:

Zauważalny wzrost zniekształceń i całościowego THD. Oznaka to, że układy nie pracują prawidłowo, a wymiana pogorszyła jakość dźwięku, zamiast ją polepszyć. Tym samym z -53 dB zeszliśmy na -47 dB. Różnica 6 dB jest już wartością zauważalną, zwłaszcza że operujemy w progu cały czas kwalifikującym się na percepcję ucha ludzkiego.

Zmiany pod wpływem temperatury

Na koniec wykonałem jeszcze jeden test. Zweryfikowałem, czy po godzinie ciągłej pracy te same układy pokażą jakieś zmiany. Okazało się, że nie. Wszystko miało identyczną odpowiedź częstotliwościową zmierzoną wcześniej. Eliminuje to więc wątpliwości płynące z temperatury pracy.

Powrót do notatek i końcowe testy odsłuchowe

Wracając do wcześniej wykonanego eksperymentu, zakończyłem pracę z pomiarami i wróciłem do konfiguracji czysto odsłuchowej. Aplikując wcześniej spisane kombinacje, ze zdumieniem odkryłem, że wszystkie moje notatki okazały się nie mieć znaczenia. Nie byłem w stanie usłyszeć żadnej różnicy, nawet w tych połączeniach, które wcześniej wydawały mi się oczywiste i doskonale słyszalne (np. AD825). Podejrzewam, że nabyta świadomość, wynikająca z przeprowadzonych testów pomiarowych, całkowicie zniwelowała pierwotny efekt placebo. Tym samym między odsłuchami a pomiarami nie byłem już w stanie odnotować konfliktu.

Powtarzalność metody testów akustycznych

Testy wykonywane akustycznie dały jednoznaczny obraz tego, że wzmacniacze operacyjne nie mają przełożenia na słuchawki w moim systemie. Gdybym test miał powtórzyć tu i teraz, uzyskane dane byłyby jeszcze bardziej szczegółowe, a w ruch poszłaby dodatkowo metoda nr 1, jako uzupełnienie. Metoda nr 2 jest na tyle jednak uniwersalna, że można dzięki niej weryfikować również i inne rzeczy, takie jak wpływ listw zasilających i UPSów na dźwięk lub wymiany lamp we wzmacniaczu (oczywiście z pominięciem sytuacji zużycia się takowych).

Co więcej, testy akustyczne można przeprowadzić bez problemu samodzielnie w domu, ponieważ są one łatwo powtarzalne. Aparatura ku temu nie jest droga. Wystarczy tak naprawdę MiniDSP E.A.R.S. (ok. 1300 zł), jakieś oprogramowanie pomiarowe i podstawowa wiedza w zakresie wykonywania testów tego typu. Jest to całościowo porównywalna lub nawet mniejsza kwota niż niejedne pakiety OPAMPów. Nie mówiąc nawet o cenach urządzeń, które można byłoby sobie nim sprawdzić. Dlatego zachęcam do sprawdzenia swoich własnych urządzeń i OPAMPów samodzielnie.

Należy przy tym pamiętać, że poszukiwane są różnice. A te, przy zachowaniu podstawowych zasad (np. braku poruszenia słuchawkami na fantomie czy tej samej głośności pomiarowej), zawsze będziemy w stanie takim sprzętem wykryć. A potem ocenić, czy wyniki mieszczą się w granicach słyszalności.

Pomiary wzmacniaczy operacyjnych od strony elektrycznej

Pytanie zatem jak jest z innymi metodami i czy tam udałoby się wykryć zmiany w paśmie słyszalnym (założenie wadliwości metody akustycznej)? Testy elektryczne wykonał znany i ceniony portal Audio Science Review (ASR) na przykładzie Gustarda H20 i Toppinga D10. Tam również okazało się, przy zupełnie innym sprzęcie i metodologii, że uzyskiwane wyniki THD na wyjściu z samego urządzenia są zbyt blisko siebie, aby mieć jakiekolwiek znaczenie w paśmie słyszalnym:

Zniekształcenia kontra moc wyjściowa przy 50 Ohmach dla osobno obu kanałów z różnymi kośćmi. Również brak zmian:

Zmiana właściwości układu po zastosowaniu drogiego, audiofilskiego układu Sparko’s Labs SS3601. Większy szum od zasilania, wyższa druga harmoniczna, lepsza trzecia:

Tak więc drugie, niezależne źródło, stosując inną metodę, uzupełnia się z moimi obserwacjami. Metodę akustyczną można zatem uznać za prawidłową, a całość za dawanie nam pełnego obrazu zachowania różnych kości w dwóch różnych domenach: w sposobie pracy urządzenia i przełożeniu na dźwięk wyjściowy.

Przy okazji zmierzono również temperaturę pracy układów:

Jak widać, układ dyskretny jest tu wyraźnie cieplejszy. Zamknięty w obudowie bez odpowiedniej wentylacji w lecie jest proszeniem się o kłopoty.

Fenomen słyszenia wzmacniaczy operacyjnych

Wzmacniacze operacyjne mogą mieć wpływ na dźwięk wtedy i tylko wtedy, gdy pracują w domenie użytecznej dla takich zastosowań. Co więcej, efekty ich pracy jesteśmy w stanie usłyszeć po przekroczeniu określonej skali zmian. Mówiąc wprost: nawet, jeśli zmiany bylibyśmy w stanie zaobserwować pomiarowo, niekoniecznie mogą być one na tyle duże, abyśmy je usłyszeli.

Poniżej tabela, którą opublikował swego czasu użytkownik Laliksan na nieistniejącym już Forum AF. Przedstawia ona THD+N różnych układów dla kanałów lewego i prawego:

Nawet biorąc pod uwagę najgorzej mierzące się tu kości Burson V5i Single (279 zł / 2 szt.), będą to cały czas wartości znajdujące się poza granicą słyszalności. Układy wydadzą się tak samo czyste, jak jednokanałowe Sparkos SS3601 (500 zł / 2 szt.). Natomiast technicznie Sparkos wg tabeli wyżej są na identycznym poziomie co fabryczne kości NE5534 (10 zł / 2 szt).

Kolosalna różnica w cenie między NE5534 a SS3601 sprowadza się w dużej mierze do psychologii ceny. Posługując się tylko słuchem próbujemy sami siebie przekonać, że układy te mają bardzo duży i korzystny wpływ na dźwięk, ponieważ za tyle pieniędzy to musi grać.

Przykład Bursonów pokazuje z kolei, że takie układy technicznie potrafią zaoferować paradoksalnie gorsze parametry niż kości fabryczne. Ale nawet wówczas ogólna czystość dźwięku wykracza często i tak poza możliwości rejestracji przez nasz słuch.

Przy testach „na słuch” wystarczy, że głośność będzie delikatnie inna lub słuchawki zmienią swoją pozycję na głowie, aby sprawiać wrażenie różnic. Ponad wszystkim jednak, podczas odsłuchów kontrolnych mocniej się wsłuchujemy w muzykę. Do tego sprowadza się cały sekret. Testy przedstawione powyżej nie są w żaden sposób obarczone takim błędem percepcji. Dlatego zawsze będą prezentowały konkretne dane w wielokrotnie bardziej powtarzalny i wiarygodny sposób.

Kiedy wymiana OPAMPów rzeczywiście ma sens?

Tak naprawdę sens wymiany wzmacniaczy operacyjnych zachodzi wyłącznie wtedy, gdy układy ulegną ewidentnemu uszkodzeniu lub spaleniu. Elektronika bowiem podlega degradacji, a wzmacniacze operacyjne nie są z reguły najchłodniejszym elementem sprzętu audio. To dlatego producenci stosują układy w gniazdach DIP8/DIL8. Wymiana powinna jednak odbywać się w ramach układów, które były wcześniej stosowane. W ostateczności w obrębie technicznie najbliższych zamienników współczesnych (przy starych układach już nieprodukowanych). Producent tak bowiem projektował swoje urządzenie, aby pracowało ono najlepiej z dedykowanymi do niego układami fabrycznymi. Te zaś potrafią kosztować kilka zł i mieć tak samo dobre parametry, co dyskretne układy z wysokiej półki cenowej przeznaczone dla audiofilów.

Co do wymiany celem uzyskania lepszego dźwięku, jak się okazuje, to tu sensu nie ma w ogóle. Zwłaszcza, jeśli wymiana OPAMPów ma iść w drogie układy audiofilskie-dyskretne, takie jak Sonic Imagery Labs, Sparkos Labs, Burson, Audiofeel, Staccato, Muzg Audio itp. Tak samo tyczy się to drogich kości konwencjonalnych, jak Muses 02 lub old-stocków AD627. Układy te nie dość, że nie dadzą nam tego, czego poszukujemy, to czasami wręcz pogorszą nam jakość dźwięku lub właściwości użytkowe (temperatura). Wymiana takich kości w ciemno może powodować daleko idące problemy z urządzeniem, wliczając w to nieprawidłową pracę na osi czasu, wzbudzanie się układów, przegrzewanie się lub ich przedwczesne zużycie. A już na pewno niepotrzebną nerwicę. Bo jak mawiał klasyk, jeśli nie widać (i słychać) różnicy, to po co przepłacać?

Podsumowanie

Jak się okazało, w powtarzalny i skuteczny sposób można zweryfikować wpływ wzmacniaczy operacyjnych na domenę użyteczną sygnału audio. Metod jest przynajmniej kilka, a zaprezentowane dwie z nich mają identyczną konkluzję. Wyniki są konstruktywne, wymierne, powtarzalne i negujące sens zarówno wymiany takich układów celem osiągnięcia lepszego dźwięku, jak i recenzowania takich układów. Każdy dobrze zaprojektowany wzmacniacz operacyjny, jeśli tylko będzie dopasowany do wymogów urządzenia, zaoferuje nam bardzo wysoką jakość dźwięku przekraczającą wielokrotnie nasze potrzeby.

Zamiast więc wydawać 500-1000 zł na komplety wzmacniaczy operacyjnych, lepiej jest przeznaczyć te środki na wyższej klasy urządzenie źródłowe albo po prostu lepsze słuchawki. To właśnie te ostatnie okazały się w moich testach najbardziej wąskim gardłem, jeśli chodzi o czystość. Można też przeznaczyć te środki na prostą aparaturę pomiarową, aby przekonać się o wszystkim samemu. W tym wypadku będzie to najlepsza możliwa inwestycja. I tylko takich życzyłbym wszystkim na Nowy Rok.