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2014年8月21日

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在数字音频领域,变压器是新的电子管。但是,变压器设计的意义远不止是“温暖”。詹森·变形金刚(Jensen Transformers)总裁比尔·惠特洛克(Bill Whitlock)谈到核心,相位失真和Deane Jensen的悠久历史。

故事: 马克·戴维

可以与“响度大战”相提并论的是新鲜事物-我们正处于谐波之战的滑坡上,而且变得泥泞不堪。最初,我们对三个T感到满意:Tubes,Tape和Transformers的谐波三角形-每个都不只是平淡无奇的电子组件或信号链中的进站,而是色调调色板中可能有价值的颜色。

最近,我们看到了一些滞后现象。我们大多数人都不知道到底是什么,但是我们想要它,这是肯定的。我一直在阅读载有变压器的齿轮的单页纸,从来没有提到过隔离噪音,但迫不及待地想将商标归因于磁滞引起的谐波。就在最近,我的办公桌上传出了一个小故障插件的消息。它的名字?迟滞[请查看我们的新闻页面以了解更多信息]。

但是,我们是否已经超出了我们的常识,以至于无法开采煤炭并将其宣布为黄金?

比尔·惠特洛克当然是这样认为的。他一直是詹森变压器公司(Jensen Transformers)的总裁,直到最近该公司被其第一大客户Radial Engineering收购。他还是创始人Deane Jensen的终生朋友,并且通过对组件的作用的深入了解,继续了他出色的变压器设计的遗产。

就詹森而言,高滞后从来都不是理想的特性。惠特洛克说:“迪恩坚信音乐再现的目标是准确再现示波器波形。” “人们首先使用变压器的主要原因是要消除地面噪声:嗡嗡声,嗡嗡声和所有其他问题。因此,如果您确实想消除噪音,那么我认为将变压器放置在信号路径中而不会破坏信号质量是至关重要的。如果我只想简单地说詹森的目标,那就是“透明”;制作听起来好像不存在的变压器。”

这是一个好点。我们是否想要尽可能干净高效地工作的组件,或者性能差的组件却给人主观“温暖”的感觉?如果Radial的JDI盒受欢迎,那么即使我们没有意识到透明度,我们也会重视透明度。

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詹森转型

Bill Whitlock一直遵循Deane Jensen的脚步,但是在清除方式上,打败者的脚步与铅球击球手相同。他让所有人回家。

两人第一次见面是在Quad Quad的一次工作面试中,当时的首席工程师Jensen正在采访Whitlock作为他的潜在替代者。詹森几乎正朝着门走去,渴望启动詹森变形金刚。

1971年,惠特洛克(Whitlock)刚搬到了加利福尼亚,这是音频工程的温床,而UREI刚刚放下了1176峰值限制器,而四核八(Quad Three)正在制造当时最好的调音台。

詹森(Jensen)自1968年以来一直在Quad Quad工作,在此之前,他曾在UREI工作。但是,正是他作为Wally Heider Studios顾问的工作才使他深入研究了变压器。制片厂抱怨他们不喜欢他们的游戏机发出锋利的声音,并指控他发现了这个问题。最终将他带到了变压器,进行了一些测量之后,他不喜欢看到的东西。

詹森(Jensen)在绕组线圈(已有50年的历史)或合金化金属方面没有突破性的专业知识(尽管他后来确实发展了专业知识)。相反,他了解了变压器如何与其周围的电路相互作用。这就是所有问题所在。

惠特洛克说,他在这些变压器中发现的是“在超声区域未加抑制的'尖叫'高频共振,并且低频响应非常不足。” “这太糟糕了,它会改变鼓槌之类的音色。”它会表现为您无法完全忍受的苛刻性,但您会听到有些错误。

为了摆脱所有这些影响,他开始创办Jensen Transformers。他很快意识到自己需要更多的计算能力。因此,与两位专家一起开发了Comtran电路建模软件。那是70年代中期,当时最先进的技术是Hewlett Packard可编程计算器。 Whitlock:“该程序是用Rocky Mountain Basic编写的,Hewlett Packard对此印象深刻,因此开始销售他的软件。 Deane感到非常自豪,以至于他成为了Hewlett Packard的第一个第三方软件供应商。
“那是探索的开始,他逐渐发现了如何克服这些变压器的问题。 1974年,Jensen Transformers系列诞生了,实际上,这是Jensen成立40周年。”

在他的研究中,詹森发现问题存在于三个普遍的领域:铁心材料的选择,相位失真和频率范围。这是Whitlock的初学者指南,指出了哪里出了问题。

核心材料的选择

Whitlock:“磁芯材料的选择对于变压器的低电平和高电平谐波失真都至关重要。高电平部分归因于磁芯饱和。基本上,您可以将线圈缠绕在一块铁心材料上,并保持不断增加的电流流过,并产生越来越强的磁化场,但在某些时候铁心材料将无法再容纳更多的磁通量。饱和了如果将线圈拉得更远,所有多余的磁场会沿各个方向辐射到空气中,因为它无法流过材料。

“最终通过使用一种称为Permalloy的极高渗透率的芯材解决了这一问题。它基本上是80%的镍合金,里面含有微量的钼,铁和其他一些东西。它的渗透率高达50-100,000,这是极高的,而普通钢的渗透率约为300。有时称为Mu-metal,实际上是一个品牌名称,例如将面巾纸称为Kleenex。

“另一方面,极低的水平失真是由所谓的磁滞引起的。类比是当您使用一块金属作为弹簧时。如果您用手拿着一块金属并将其推向一个方向,它将偏转,当您放开它时,它将返回到起点。如果您将其推向另一个方向,它将回到它的静止位置……。

“磁滞是在一个方向然后再向另一个方向运动后,静止位置的差异很小。因此,如果您在一个方向上将铁心非常强地磁化然后关闭电流,则铁心中的磁场不会完全恢复为零。效果是,它具有谐波失真,信号非常小。

“ Deane发现可以通过特定的退火工艺来改变它,因为这种性质是由决定芯材冶金性的加热和冷却速率决定的。迄今为止,这是我们的商业秘密-热处理芯材的曲奇配方,使我们在低电平信号下的失真程度极小。”

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相位失真& FREQUENCY RANGE

惠特洛克解释说,其他两点有些相关:“音频系统的经典规范是低频响应扩展到20Hz。好吧,事实证明,要在20-30Hz区域内的波形中获得良好的频率复制,-3dB点必须向下扩展至小于1Hz。

“它并不广为人知,但它是由佐治亚理工学院教授马歇尔·里奇(Marshall Leach)于1989年发表的AES论文驱使人们回家的,但没有引起足够的重视。他从数学上证明了相位失真和带宽之间的关系。

“但是普遍的误解是相移与相位失真是同一回事。这确实让Deane感到困扰,他在1986年写了一篇关于它的论文,基本上说只要相移与频率成线性关系,它就会变成非常温和的时间延迟。信号保真度不比将扬声器的头距离扬声器多一英寸远。
“真正改变波形形状和音乐音色的是相位关系中的非线性。这就是为什么您会在所有Jensen数据表上看到将相位失真测量为与线性相位之间的偏差的原因。如果您可以在整个音频频谱中保持线性相位(在我们的变压器中通常如此),并且保持在20Hz至20kHz的几度之内,那么您可以非常准确地重现音乐的真实波形,这就是Deane的目标。

“但是真正有趣的事情发生在高频端,在高频端,带宽与相位失真有关,而失真取决于滤波器的性质。对于一个简单的单极点滤波器,要求在3dB点处有230kHz的带宽,以使20kHz时的相位失真保持在5度以内。

“但是,您可以使滚降更加陡峭,并在低至25kHz的带宽中获得相同的5度相位失真标准,但是您必须使用为此目的而设计的滤波器,这就是Bessel滤波器非常擅长

“所有Jensen变压器都会降落为二阶Bessel低通滤波器。因此,它们具有高达20kHz的无可挑剔的相位响应方式,并且在此之上没有任何峰值。即使在今天,如果您对其他变压器进行频率响应扫描,也会在50-100kHz范围内发现一些非常尖锐的共振。如果将一个方波穿过,则会在该方波的顶部引起振铃。这在音乐上产生了相当破坏性的结果,这使我们进入了光谱污染的话题,迪恩于1988年与他的朋友加里·索科里奇(Gary Sokolich)共同撰写了一篇论文。

“从根本上说,如果您的共振峰夸大了音频信号链中的超声波频率,几乎可以肯定的是,您会在下游设备中造成一些非常丑陋的失真。如今,超声波信号来自诸如DAC时钟残留和D / A转换器输出之类的东西。对于留声机,这是由于笔中的超声机械共振引起的,但最终可能会产生40-50kHz范围内的大量能量。

“如果允许它穿过系统,它将最终经过放大器级。而且由于运算放大器在这些超声波频率下具有最少的反馈量,因此它们变得非常非线性,并表现为混频器。

“如果将两个频率放入任何非线性设备(如放大器)中,则会得到总和和差频率。而且,如果您放置复杂的组合,它们会相互交叉调制,并且这些超声谐波的谐波混合产物会在可听频谱中反流。而且它们以非常不谐调的频率进行。听力测试已证实了这一点。它基本上消除了一种面纱-几乎像调制失真或调制噪声一样-当它消失时非常明显。当存在与非谐波相关的背景垃圾时,这也会导致立体声中的成像非常模糊。

“因此,变压器可以充当非常线性的低通滤波器,以防止这种超声波垃圾向下游传播。这就是Deane想要解决的问题,是那些不了解变压器如何与周围物体相互作用的人们在普通设计中引起的问题。”

使用变形变压器

如今,关于变压器谐波失真的讨论很多,而没有真正了解它的产生方式或是否需要它。尽管惠特洛克和詹森经常将寻找那些失真特征的制造商拒之门外,但他很清楚他们为什么会问:“他们是想要着色的人。有人称其为“温暖”-变压器的谐波失真。我同意你,它们与电子失真有很大不同,因为它们都是低阶的。如果您开始拥挤任何磁性设备(包括模拟磁带),并开始将其推向饱和状态,那么您得到的就是二次或三次谐波失真。

“在按下第七个,第十九个和第33个时,您不会像按下运算放大器那样获得很多东西–它们变得非常丑陋,非常快,因为谐波失真机制不仅产生低阶失真产物,而且产生极高阶失真。听起来很丑陋的人工制品。

“因此,怀旧人群中的变压器由于缺乏更好的称呼,而追随原始的变压器发热和过载特性,这与电子管过载(而不是运算放大器)的方式紧密相关。他们宁愿它优雅地进入饱和状态,而老式变压器会在正常工作水平下产生大量的低频失真。”

 990运算放大器990运算放大器是Jensen最著名的设计之一,尽管今天进行了重新设计以替换不再可用的零件,但仍由John Hardy  公司 生产。 Whitlock解释了Jensen试图用990解决的问题。Whitlock:“大多数麦克风前置放大器在适当的增益下都具有良好的噪声性能,但是当您降低增益时,输入噪声会受到影响,主要是因为反馈网络的阻抗增加。在麦克风前置放大器中,反馈网络的电阻会给电路带来非常大的噪声,因为电阻都会产生随机的热噪声,并且电阻值越高,产生的噪声就越大。 “所以有一个设计难题。您希望将反馈网络保持在非常低的阻抗,但您将其降低得越低,运放的输出就越难以驱动该网络。这变得相当重。因此,迪恩(Deane)试图创建一种具有极低噪声输入级的理想放大器。他使用美国国家半导体(National)的LM394超级匹配对解决了这一问题,该匹配对基本上是100个随机并联的晶体管,以制造两个非常匹配的差分晶体管。而且,由于封装内部实质上有许多晶体管并联,因此它具有极佳的噪声性能-成为输入级。 “然后,他使用了非常高的电流输出级,并将其运行在±24V电压轨上。它的峰值输出电流为240mA,因此驱动数百欧姆的反馈网络没有问题。 “ 990的专利部分是输入差分对的发射极中使用的小电感器,它解决了一个问题,需要深入技术来尝试和解释。它与频率补偿和反馈下的稳定性有关,通常通过在这些发射器中放置一些电阻器来解决该问题。但是,如果在此处放置电阻,则会给放大器增加很多噪声。因此,迪恩通过在其中放置电感器而不是电阻器解决了该问题。 “它们具有降低高频增益的预期效果,但无需付出噪声代价。因此,它具有非常独特的品质组合,使其非常非常受欢迎,当然,其中的两种在Jensen Twin Servo麦克风前置放大器中得到了使用,该放大器赢得了许多聆听测试的枪战,并且是个人的最爱。像托尼·贝内特(Tony Bennett)这样的歌手,他曾经用泡沫衬里的箱子携带自己的东西。 “ 990具有出色的麦克风前置放大器和出色的线路驱动器-可以将75Ω负载驱动至全腔水平-擅长所有方面,并且专门为专业音频而设计。”
990运算放大器
詹森(Jensen)最著名的设计之一是990运放,尽管今天经过了重新设计以替换不再有的零件,但仍由John Hardy 公司 生产。 Whitlock解释了Jensen试图用990解决的问题。
Whitlock:“大多数麦克风前置放大器在适当的增益下都具有良好的噪声性能,但是当您降低增益时,输入噪声会受到影响,这在很大程度上是因为反馈网络的阻抗增加了。在麦克风前置放大器中,反馈网络的电阻会给电路带来非常大的噪声,因为电阻都会产生随机的热噪声,并且电阻值越高,产生的噪声就越大。
“所以有一个设计难题。您希望将反馈网络保持在非常低的阻抗,但您将其降低得越低,运放的输出就越难以驱动该网络。这变得相当重。因此,迪恩(Deane)试图创建一种具有极低噪声输入级的理想放大器。他使用美国国家半导体(National)的LM394超级匹配对解决了这一问题,该匹配对基本上是100个随机并联的晶体管,以制造两个非常匹配的差分晶体管。而且,由于封装内部实质上有许多晶体管并联,因此它具有极佳的噪声性能-成为输入级。
“然后,他使用了非常高的电流输出级,并将其运行在±24V电压轨上。它的峰值输出电流为240mA,因此驱动数百欧姆的反馈网络没有问题。
“ 990的专利部分是输入差分对的发射极中使用的小电感器,它解决了一个问题,需要深入技术来尝试和解释。它与频率补偿和反馈下的稳定性有关,通常通过在这些发射器中放置一些电阻器来解决该问题。但是,如果在此处放置电阻,则会给放大器增加很多噪声。因此,迪恩通过在其中放置电感器而不是电阻器解决了该问题。
“它们具有降低高频增益的预期效果,但无需付出噪声代价。因此,它具有非常独特的品质组合,使其非常非常受欢迎,当然,其中的两种在Jensen Twin Servo麦克风前置放大器中得到了使用,该放大器赢得了许多聆听测试的枪战,并且是个人的最爱。像托尼·贝内特(Tony Bennett)这样的歌手,他曾经用泡沫衬里的箱子携带自己的东西。
“ 990具有出色的麦克风前置放大器和出色的线路驱动器-可以将75Ω负载驱动至全腔水平-擅长所有方面,并且专门为专业音频而设计。”

掌控自己

坡莫合金不是一项新发明,自1914年以来就已经存在。不总是使用它的原因通常是由于成本。并非市场上所有的变压器都是平等的,相反,我们提供了使用不适合该应用的廉价铁心材料的多种产品;较低的绕组;以及没有高电感的小型变压器

这是惠特洛克的宠儿之一。因为除非制造商诚实,并发布规范以支持它,否则很难知道这些线圈中隐藏了什么。 Whitlock:“对于给定的信号源,当频率下降时,要使变压器的阻抗保持较高,您必须具有一定的电感量。线圈的电感与匝数和芯材的磁导率成正比。由于钢的渗透率低,因此与高镍芯材料相比,它需要更多的匝数。另一方面,钢在开始饱和之前会支撑更强的磁场。

“只有在信号源具有极低阻抗的情况下(例如可以将其直接连接到运算放大器的输出端时),才应使用钢制变压器。但是在实际设备中,运算放大器和输出引脚之间存在某种网络,因此要在输出端使用变压器,我们很少(实际上从不建议使用钢芯变压器)。

“我们的大多数竞争者将使用小型钢芯变压器,因为这种材料便宜得多,并且可以在更小的封装中处理更大的信号电平。但是失真特性是完全不能接受的。钢具有很高的磁滞畸变,即使这种畸变直到达到饱和(在较高水平)也不会增加很多,但这是我们不愿意做出的折衷。它们通常只有邮票那么大,物理原理却不允许变压器以20或30Hz的频率运行而又不会很大。”

怀特洛克的最后一局

惠特洛克与詹森的比赛还没有结束,至少在接下来的四年中,惠特洛克仍留在詹森。但是,要经营一家伟大而又陷入困境的人的公司并非易事。

詹森(Jensen)的父亲曾是西屋(Westinghouse)的非常高级的物理学家,这是政府为保密项目承包的物理学家。他保留的公司包括阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein),他偶尔会四处逛逛并聊天。根据惠特洛克的说法,他的父亲有着令人难以置信的高标准,并不是最令人鼓舞的数字。惠特洛克说:“我认为迪恩在某种程度上获得了990运放的专利,只是向父亲证明他的聪明。” “迪恩的问题之一就是不断地向自己的父亲证明自己,这个父亲是一个虔诚的学术人,很难让人留下深刻的印象。迪恩还是个小癫痫病患者,他试图掩饰自己的一生,而他的同卵双胞胎兄弟在14岁时过马路时被杀,这确实给迪恩造成了精神创伤。

可以携带很多东西,虽然詹森是个天才,但他逐渐对公司的问题感到不安。自从他们在Quad Quad上的第一次会面以来,这对搭档已经追赶了多年。Whitlock帮助Jensen集体讨论了990电路;在担任Capitol / EMI电子工程负责人的同时,他在自己开发的立体声扩宽产品“ The Spatializer”中使用了Jensen变压器。与国会大厦一起受够了,惠特洛克(Whitlock)七年后准备扔掉毛巾,因此詹森(Jensen)建议他们结成伙伴,组成一个咨询团队。咨询业务进展顺利,但詹森对自己的变压器公司面临的安装问题感到非常陌生。

正如惠特洛克(Whitlock)所言,这一切对詹森(Jensen)来说都变得太多了:“他按照惯例,一个星期六早上出去散步,然后不回来。我很担心,星期一打电话给詹森办公室,问是否有人见过迪恩。他们在他的办公室里发现他,手里拿着一瓶空酒和一把左轮手枪。他全神贯注。笔记中有很多事情,包括供应商的问题,一个真正利用他的朋友,而他只是看不到自己的出路。他在遗书中说:“比尔坚强,我认为他可以应付所有这些。我将所有财产留给比尔。’”

事实证明,詹森倒挂了将近50万美元,“他拥有的一切”都需要救助。起初,惠特洛克(Whitlock)想打not他的朋友,因为他不信任他。但是最终,在他的律师和会计师关门的建议下,惠特洛克决定聘请詹森继续他的遗产。

70岁那年,他负责公司的行政事务,并希望放弃日常管理,以花更多的时间集思广益,提出新的想法和演讲。他的一封电子邮件标语中写道:“行销已成为一种无所不包的欺骗手段”,因此,全面披露规范是詹森(Jensen)乐意坚持的另一种传统。虽然他看到其他公司因产品内部价格便宜而破产,但他与Radial总裁Peter Janis的20年业务使他对未来充满信心。目前,Radial计划将Jensen作为独立供应商运营,Radial是其客户。因此,希望我们能看到Radial Radial已在其JDI的多通道变体中使用了Eclipse变形器(此举因其流行而必需)已由Jensen的合理组件取代。

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