Что такое классы усилителей мощности низкой частоты
Класс усилителя мощности — это режим, в котором работает его оконечная ступень.
По большому счёту, основных режимов УНЧ (УМЗЧ, усилителя звука) — всего два: линейный и импульсный. Но они имеют достаточно много разных вариаций, от которых сильно зависят КПД, характер и величина искажений на выходе усилителя.
Каскады усилителя, предшествующие оконечному, формально тоже можно отнести к какому-либо классу; но на самом деле в большинстве случаев это не имеет значения (имеет значение качество их исполнения, а не режим; который чаще всего оказывается классом A или же классом AB , максимально приближенным к классу A ).
Классы усилителей имеют устоявшуюся систему обозначений, состоящую из одной-двух латинских букв, иногда дополняемых цифрами.
Первая буква — это основной класс, вторая буква — подкласс, цифры могут означать варианты реализации. Буквы классам присваивались просто по порядку и никакой расшифровки не имеют (например, в классе D не следует расшифровывать букву D как Digital) .
Кратко пробежимся по основным классам и попутно рассмотрим их достоинства и недостатки.
Класс A — самый шикарный по качеству, но одновременно и самый невыгодный энергетически.
Усилители класса A работают постоянно в линейном режиме во всём динамическом диапазоне сигнала.
Упрощенно выходной каскад усилителя класса A на транзисторе выглядит так:
Чтобы усилитель всегда находился в линейном режиме, через транзистор должен протекать ток, равный половине от максимального даже при отсутствии сигнала.
В результате транзистор сильно греется, а КПД на максимальной мощности синусоидального сигнала составляет не более 25% процентов.
В прошлом, во времена ламповой техники, этот класс был сильно распространённым, так как в выходном каскаде требовалась всего одна лампа, что удешевляло конструкцию.
Сейчас тоже выпускаются усилители этого класса, но, в основном, очень малой мощности (для наушников).
Класс B является полной противоположностью класса A с энергетической точки зрения. Здесь при отсутствии сигнала ток не протекает (совсем).
И, хотя такие усилители сейчас не выпускаются, в них важна идея: при положительной полуволне сигнала работает «верхний» транзистор, при отрицательной — «нижний», а при отсутствии сигнала оба плеча (верхнее и нижнее) находятся в закрытом состоянии, тока нет.
Иными словами, ток потребляется не всегда, а только тогда, когда он нужен.
Схематично выходной каскад усилителя класса B выглядит так:
При поступлении сигнала положительной полярности работает только верхнее плечо усилителя; а при отрицательном сигнале — соответственно, только нижнее.
Максимальный КПД такого усилителя на синусе может достигать 78% — очень неплохо! Причём, чем выше уровень сигнала, тем выше и КПД.
Но один маленький недостаток полностью перечёркивает все его достоинства: плохая работа вблизи нуля (при слабом сигнале).
Из-за того, что транзистор открывается не при любом напряжении выше нуля, а при достаточно заметном (например, для кремниевых биполярных транзисторов — около 0.6 В), слабые сигналы открыть транзистор не в силах, и такие сигналы не воспроизводятся.
Возникают искажения типа «ступенька»; выглядят они так:
Теоретически, за счёт повышения глубины отрицательной обратной связи можно сделать величину «ступеньки» сколь угодно малой, но практически она всегда остаётся заметной и «режет слух».
По этой причине усилители этого класса не выпускаются, и лишь иногда появляются из-за ошибок разработчиков. 🙂
Наконец-то мы дошли до первого класса усилителей, выпускаемого в наше время в массовом количестве — класса AB .
Класс AB — удачная попытка совместить достоинства усилителей классов A и B.
Идея этих усилителей состоит в том, что в усилителе класса B в транзисторах выходного каскада задаётся небольшое смещение, слегка приоткрывающее транзисторы в состоянии покоя; и, тем самым, переводящее их в класс A для малых сигналов.
В упрощенном виде схема оконечного каскада выглядит так:
В современных усилителях именно такая схема не используется. Вместо резисторов используются небольшие схемы на транзисторах со стабилизацией токов и термокомпенсацией напряжения смещения.
Казалось бы, задача доведения качества звука до класса A с сохранением относительно высокого КПД решена окончательно и бесповоротно.
Но это — не совсем так.
Транзисторы выходного каскада всё равно имеют точки включения и выключения ( просто они удалены от нуля); и истинные меломаны клянутся, что замечают создающиеся при этом искажения.
Для обычных людей заметить такие искажения не представляется возможным.
С помощью осциллографа их можно увидеть только на очень высоких частотах, выходящих за пределы слышимости; либо на сигналах с очень крутыми фронтами.
Для примера — осциллограмма однокристалльного УНЧ TDA2050 (обзор) на частоте 200 кГц:
На такой частоте этот усилитель, естественно, никогда не используется и приведённая картинка — просто иллюстрация существования искажений.
Ещё один пример — «зазубрина» на фронте прямоугольного сигнала на выходе TDA7297 (обзор):
В классе AB работают не только транзисторные, но и большинство современных ламповых усилителей; и они при этом высоко ценятся меломанами.
Объясняется это тем, что характеристики ламп обеспечивают значительно более плавные процессы их включения и выключения, чем у транзисторов.
Но это — проблемы меломанов. Обычный человек вряд ли ощутит разницу.
Далее по списку должен идти класс C , но мы его пропустим, потому что он относится не к УНЧ, а к усилителям радиочастотного диапазона.
Класс D — один из самых распространённых на сегодня.
Усилители этого класса имеют максимальный КПД, достигающий 90% и выше. Осуществляется это за счёт работы выходных транзисторов в импульсном режиме — энергетически самом выгодном.
Полезная (звуковая) составляющая сигнала при этом формируется за счёт широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Сигнал ШИМ и выходной сигнал после фильтра выглядят для усилителя с одиночным выходом примерно таким образом (из обзора TDA8954, 2 * 210 Вт):
В состоянии покоя (при отсутствии сигнала) длительность отрицательного импульса равна длительности положительного, и постоянная составляющая равна нулю.
При наличии сигнала баланс положительных и отрицательных импульсов смещается в ту или иную сторону синхронно с сигналом, и на выходе формируется полезная составляющая сигнала.
Чтобы высокочастотная импульсная составляющая не попадала в динамики, обычно на выходе устанавливают LC-фильтры.
Но усилители класса D тоже отличаются разнообразием схемных реализаций. Часто они производятся с мостовым выходом и без фильтров (фильтром служит звуковая катушка динамика (-ов). В этом случае сигнал на выходе получается другим, не сглаженным (картинка из обзора PAM8610 , 2 * 10 Вт):
К недостаткам усилителей класса D следует отнести менее точное повторение формы входного сигнала, чем в усилителях класса A, а также зависимость АЧХ от сопротивления нагрузки (для усилителей с фильтрами на выходе); подробнее — в статье «Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB».
Идея усилителей класса D была высказана в СССР ещё в 50-е годы XX века, но элементная база «дозрела» до серийного выпуска только к концу XX века.
Другие классы усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ)
Существуют и другие классы УМЗЧ, но они, по-существу, являются только теми или иными вариациями классов AB и D.
В частности, можно упомянуть классы G и H. Они основаны на усилителях класса AB , но для повышения КПД в них имеется возможность автоподстройки напряжения питания под текущую величину сигнала. Никаких других полезных свойств, кроме повышения КПД, такие схемы не дают; но при этом увеличивают число компонентов (снижение надёжности) и повышают стоимость.
Класс D нашел дальнейшее развитие в классе T , отличающемся улучшением системы модуляции. Усилители класса T и его последователи (классы J, TD, Z) сейчас выпускаются малыми сериями и имеют небольшую базу потребителей.
Вот таков в общих чертах ответ на вопрос: «Что такое классы усилителей».
Дополнительные материалы:
Ваш Доктор.
14 августа 2021 г.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Доктора! (Администрация сайта — контакты и информация)
Группа SmartPuls.Ru Контакте — анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них
Как работает усилитель класса D, или Не такой как все
При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.
История
В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.
Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».
В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.
Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.
Принцип работы
В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.
В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.
Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.
Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.
Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.
Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.
Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.
Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.
На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.
Плюсы
Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.
Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.
В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.
Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.
Минусы
Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.
Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.
Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.
Особенности
Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.
Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.
Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.
Практика
Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.
Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.
Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.
В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.
Звук
Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.
Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.
Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.
Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.
Выводы
Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.
В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.
Эту статью прочитали 22 648 раз
Статья входит в разделы: Интересное о звуке
Поделиться материалом: 
Преимущества цифровых усилителей мощности в сравнении с традиционными аналоговыми
Преимущества цифровых усилителей мощности в сравнении с традиционными аналоговыми
Работы/услуги:
Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), обычно называемый просто «усилитель» — это прибор, который превращает линейный звуковой сигнал (например, из выхода микшерного пульта) в электрический ток, который «раскачивает» громкоговорители в акустических системах. Ламповые усилители в настоящее время в профессиональном звукоусилении не применяются. Производимые сейчас транзисторные усилители мощности можно разделить на 2 основных группы: классы AB и H (будем называть их аналоговыми) и классы D и TD (их, соответственно, назовём цифровыми). Несмотря на то, что результат работы обоих групп усилителей одинаков, у них есть ряд важных отличий.
Аналоговые усилители массово производятся с 70-х годов прошлого века. Основные отличительные особенности усилителей этого класса — сравнительно болшие габариты и вес, и сравнительно низкий КПД (идеальный КПД усилителя класса AB — 78%, реальный может опускаться до 40% в зависимости от условий работы). В основном этим и обусловлены размеры корпуса аналоговых усилителей — система охлаждения в них может занимать до половины объёма корпуса. Вкратце, принцип работы аналогового усилителя сводится к тому, что выходной ток усилителя регулируется полупроводниковым прибором — биполярным транзистором (в реальных усилителях как правило, несколькими транзисторами, включенными параллельно). Потери электрической мощности при прохождении тока через биполярные транзисторы и являются причиной низкого КПД и большого тепловыделения усилителей этого класса.
Усилители класса D, называемые также «цифровые усилители», используют принципиально другой принцип работы. Выходной каскад из этих усилителей сформирован из полевых транзисторов, работающих в режиме широтно-импульсной модуляции — то есть, транзисторы либо полностью открыты (тогда их сопротивление составляет сотые доли ома), либо полностью закрыты. В результате потери электрической мощности в выходном каскаде практически отсутствуют, и КПД реальных серийно производимых цифровых усилителей может составлять до 95%. Соответственно, отсутствует необходимость в громоздкой системе охлаждения, и цифровые усилители получаются в несколько раз более компактными и лёгкими, чем их аналоговые собратья такой же мощности. Например, аналоговый усилитель Crown XLi 3500 занимает 2 рэковых высоты и весит 19,5 кг, цифровой усилитель KONANlabs DA-1000 занимает 1 рэковую высоту и весит всего 3,8 кг, при одинаковой мощности — 2х1000 Вт на 8-омной нагрузке.
Строго говоря, называть все усилители класса D цифровыми — не совсем корректно, поскольку технически возможно реализовать усилитель мощности на основе широтно-импульсной модуляции полностью аналоговым способом. Бюджетные модели усилителей D-класса обычно полностью аналоговые, а в дорогих сериях для формирования высокочастотных импульсов, которые управляют выходным каскадом, применяется система цифровой обработки сигнала (DSP). То есть, не все усилители класса D являются цифровыми, но все цифровые усилители являются усилителями D-класса (или одним из его вариантов — класса T, J, TD и т. д.). Основная разница между аналоговыми и цифровыми усилителями класса D состоит в том, что аналоговая схема вносит несколько больше нелинейных искажений, с использованием же цифровой обработки получается добиться искажений не больших, чем в самых качественных усилителях класса AB при существенно меньших габаритах и весе, и большей энергоэффективности.
Существует распространёное мнение, что аналоговые усилители безусловно «лучше звучат», чем цифровые, однако, объективности в этой точке зрения не больше, чем в обожествлении «тёплого лампового звука». Во-первых, если говорить не о высоких материях, а о реально существующих приборах — в обоих группах существуют как низкобюджетные, при разработке и производстве которых основным критерием была экономия, так и устройства Hi-End, бескомпромиссные как по звучанию, так и по стоимости. Во-вторых, обсуждать «качество звучания» усилителя не имеет смысла в отрыве от всей системы звукоусиления, каждый из элементов которой — начиная от микрофонов и заканчивая отделкой помещения — представляет собой компромисс между пожеланиями заказчика и его финансовыми возможностями. Таким образом, даже если на лабораторном стенде отдельные параметры какого-то конкретного аналогового усилителя окажутся «лучше», чем параметры какого-то конкретного цифрового усилителя — в реальных условиях это различие скорее всего не будет заметно на слух. Основные же преимущества цифровых усилителей — высокий КПД и малые габариты и вес — очевидны каждому.
Ещё одной перспективной разработкой являются усилители класса TD. Если не вдаваться в технические детали — усилители этого класса используют «аналоговый» выходной каскад класса AB, питание которого осуществляет отдельная подсистема, работающая по принципу усилителя класса D. В результате получилось создать усилитель, обеспечивающий «аналоговое» качество звучания при КПД и массогабаритных показателях, близких к цифровым УМЗЧ.
Наши специалисты с удовольствием помогут вам приобрести, установить и настроить лазерное, световое, звукоусилительное и другое оборудование для ночных клубов, караоке, ресторанов, концертных и актовых залов в Ставрополе, Краснодаре, Москве, Санкт-Петербурге, Сочи, Ростове-на-Дону, Нальчике, Грозном, Черкесске, Владикавказе, Махачкале, Элисте, Волгограде, других городах ЮФО, СКФО и республики Крым.
Одежда и механика сцены
Классы усилителей (A, B, АВ, C, D) — их различие и применение
Класс усилителя – это уровень выходного сигнала, который формируется из входного сигнала в процессе работы акустической установки. В одном цикле этот сигнал меняется в некотором диапазоне. Классификация усилителей по классам зависит от параметров линейности режима, применяемого для усиления поступающих сигналов от категорий с повышенной точностью при довольно сниженной эффективности до абсолютно нелинейных.
Усилители класса А
Усилители класса А используют только один выходной транзистор, который всегда является проводящим, независимо от формы выходного сигнала. Его подключают к базовой конфигурации эмиттера для двух половин сигнала так, что германиевый транзистор неизменно идет сквозь него даже в том случае, если фазовый сигнал отсутствует, то есть на выходе каскад не станет в полной мере проходить в область отсечки сигнала и насыщения. Он имеет собственную точку смещения примерно в центральной части линии нагрузки. Такая конструкция ведет к тому, что транзистор попросту не активируется, именно это считается одним из его основных недостатков. Класс A имеет линейность от хорошей до превосходной, а значит и высокую точность воспроизведения, но при этом имеет очень низкий КПД (не более 25%). Усилители потребляют много энергии, выделяют много тепла и выдают мало мощности, поэтому класс А практически не используется в современных аудио устройствах. Исключение составляют лишь экзотические Hi-End усилители.
Усилители класса В
Для повышения КПД и уменьшения нагрева конструкции разработали усилители класса B. Усилители оснащены двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых усиливает только половину сигнала. Специфика конструкции обуславливает выполнение 50% цикла в положительном или отрицательном периоде. Мощностные параметры постоянного тока у класса В очень малы, следовательно мощность невысока. Усилители класса В вдвое эффективнее приборов группы А, но они имеют высокие искажения из-за сильной нелинейности в области перехода, где два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Эта форма искажения называется кроссоверным искажением и она крайне неприятна для слуха. Усилители класса B не используется в домашних аудио устройствах.
Усилители класса АВ
Класс АВ является гибридом усилителей класса А и В, в результате чего инженерам удалось получить функциональное устройство, объединяющее все положительные качества предыдущих групп усилителей. По конструкции класс АВ больше похожи на усилители группы В, но основное их отличие в том, что транзисторы одновременно проводят сигнал в непосредственной близости с точками пересечения осциллограмм. Смещающее напряжение составляет в среднем 5-10% соответствующих показателей тока покоя. Такой подход помогает устранить проблемы больших искажений сигнала, характерных для устройств категории В. Усилители класса AB являются компромиссом между минимальными искажениями и КПД. Эффективность преобразования составляет 50%. Класс AB самый популярный класс среди усилителей мощности. Большинство AV- ресиверов для домашних кинотеатров и стереоусилителей относятся к классу AB.