Усилитель звуковых частот: типы, классы и классификация по категориям

Усилитель звуковых частот – это общий термин, используемый для описания схемы, которая производит и увеличивает версию своего входного сигнала. Однако не все технологии преобразователей одинаковы, поскольку они классифицируются в соответствии с их конфигурациями и режимами работы.

В электронике обычно используются небольшие усилители, поскольку они способны увеличивать относительно небольшой входной сигнал, например от датчика, такого как плеер, в выходной гораздо большего размера для управления реле, лампой или громкоговорителем и т. п.

Существует много форм электронных схем, классифицированных как усилители, от операционных и датчиков малого сигнала до больших преобразователей импульса и мощности. Классификация устройства зависит от размера сигнала, большого или малого, его физической конфигурации и способа обработки входного потока, то есть отношения между входным уровнем и током, протекающим в нагрузке.

Анатомия устройства

Усилители звуковых частот можно рассматривать как простую коробку или блок, содержащий устройство, такое как биполярный, полевой транзистор или операционный датчик, который имеет две входных и две выходных клеммы (заземление является общим). Причем выходной сигнал намного больше из-за преобразования его на устройстве.

Идеальный усилитель сигнала будет иметь три основных свойства:

1. Входное сопротивление, или (R IN).
2. Выходное сопротивление, или (R OUT).
3. Усиление, или (A).

Независимо от того, насколько сложна схема усилителя, общая модель блока может быть использована для демонстрации взаимосвязи этих трех свойств.

Общие понятия

Высококачественные усилители звуковой частоты могут отличаться по своим характеристикам. Каждый тип имеет цифровое либо аналоговое преобразование. Для их разделения устанавливаются кодовые обозначения.

Увеличенная разница между входным и выходным сигналами называется преобразованием. Усиление – это мера того, насколько усилитель «преобразует» входной сигнал. Например, если есть входной уровень на 1 вольт и выходной на 50 вольт, то преобразование будет равно 50. Другими словами, входной сигнал был развит в 50 раз. Усилитель звуковых частот как раз выполняет эту задачу.

Расчет преобразования – это просто отношение выхода, деленное на вход. Эта система не имеет единиц измерения в качестве своего отношения, но в электронике для усиления обычно используется символ A. Затем преобразование просто рассчитывается как «выходной, деленный на входной сигнал».

Преобразователи мощности

Увеличитель малого сигнала обычно называют усилителем «напряжения», потому что он, как правило, преобразовывает небольшое входное в гораздо большее выходное напряжение. Иногда для управления двигателем или питанием громкоговорителя требуется схема устройства, а для приложений такого типа, где задействуются высокие токи переключения, нужны преобразователи мощности.

Как следует из названия, основная задача усилителя мощности (также известного как большой усилитель сигнала) состоит в том, чтобы подавать мощность на нагрузку. Это произведение напряжения и тока, приложенного к нагрузке с мощностью выходного, превышающей уровень входного сигнала. Другими словами, преобразователь увеличивает мощность динамика, поэтому схемы блоков такого типа используются на внешних каскадах аудиопреобразователей для управления громкоговорителями.

Принцип действия

Усилитель звуковых частот работает по принципу преобразования силы постоянного тока, потребляемой от источника питания, в сигнал напряжения переменного тока, подаваемый на нагрузку. Хотя преобразование является высоким, эффективность его от источника питания постоянного тока к выходному сигналу напряжения переменного обычно является низкой.

Идеальный блок дает устройству коэффициент полезного действия в 100% или, по крайней мере, мощность IN будет равна мощности OUT.

Классовое деление

Если пользователи хотя бы раз смотрели в спецификацию усилителей мощности звуковой частоты, они могли заметить классы оборудования, обычно обозначаемые буквой или двумя. Наиболее распространенные типы блоков, используемые сегодня в потребительском домашнем аудио, – это значения A, A/B, D, G и H.

Эти классы представляют собой не простые системы классификации, а описания топологии усилителя, то есть как они функционируют на уровне ядра. В то время как каждый тип усилителей имеет свой набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оцениваются конечные характеристики) остается неизменной.

Она заключается в том, чтобы преобразовать форму волны, посылаемую предварительным блоком без внесения помех или, по крайней мере, как можно меньшего искажения.

Класс А

По сравнению с другими классами усилителей мощности звуковой частоты, которые будут описаны ниже, модели класса A являются относительно простыми устройствами. Определяющим принципом работы является то, что все выходные блоки преобразователей должны проходить через полный 360-градусный цикл сигнала.

Класс A также можно разделить на одноконечные и двухтактные усилители. Push/pull отличается от основного объяснения выше, используя устройства вывода в парах. В то время как оба устройства проводят полный 360-градусный цикл, одно устройство будет нести большую часть нагрузки в течение положительной части цикла, а другое – больше отрицательного цикла.

Основным преимуществом этой схемы является уменьшенное искажение по сравнению с одноконечными конструкциями, поскольку четные колебания порядка исключаются. Кроме того, двухтактные конструкции класса А менее чувствительны к шуму.

Из-за положительных качеств, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих сферах производства акустики. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток – эффективность.

Требование, предъявляемое к усилителям звуковой частоты на транзисторах класса А, чтобы все выходные устройства работали постоянно. Такое действие приводит к значительным потерям энергии, которая в итоге преобразуется в тепло. Это еще более усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель выдает нулевой выход. Показатели эффективности в реальном мире могут составлять порядка 15-35%, при этом возможно использование однозначных цифр с использованием высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В то время как все механизмы вывода в усилителе звуковой частоты на транзисторах класса A при работе занимают 100% времени, в блоках класса B используется двухтактная схема таким образом, что только половина устройств вывода проводит ток в любое время.

Одна половина покрывает +180-градусную часть формы волны, в то время как другая покрывает сечение -180 градусов. Как следствие, усилители класса B значительно более эффективны, чем их аналоги класса A, с теоретическим максимумом 78,5%. Учитывая относительно высокую эффективность, класс B использовался в некоторых профессиональных преобразователях звукоусиления, а также в некоторых домашних ламповых усилителях. Несмотря на их очевидную силу, шансы приобрести для дома блок класса В практически равны нулю. Исследование усилителя звуковой частоты показало причину этого, известную как искажение кроссовера.

Проблема с задержкой в ​​передаче обслуживания между устройствами, обрабатывающими положительные и отрицательные части формы сигнала, считается значительной. Само собой разумеется, что такое искажение в достаточных количествах слышно, и хотя некоторые конструкции класса B были лучше, чем другие в этом отношении, класс B не получил особого признания от любителей чистого звучания.

Класс A/B

Ламповый усилитель звуковых частот можно встретить на многих концертных площадках. Он отличается высокой производительностью и при этом не перегревается. Кроме этого, модели стоят гораздо дешевле многих цифровых блоков. Но есть и отклонения. Такой модуль может работать не со всеми аудиоформатами. Поэтому лучше применять оборудование в составе общего комплекса обработки сигнала.

Класс A/B сочетает в себе лучшее от каждого типа устройств, чтобы создать блок без недостатков ни того, ни другого. Благодаря этой комбинации преимуществ усилители класса A/B в значительной степени доминируют на потребительском рынке.

Решение на самом деле довольно простое по своей концепции. Там, где в классе B используется двухтактное устройство с каждой половиной выходного каскада, проводящей на 180 градусов, механизмы класса A/B увеличивают его до ~181-200 градусов. Таким образом, существует гораздо меньшая вероятность возникновения «разрыва» в цикле, и, следовательно, искажение кроссовера опускается до такой степени, что оно не имеет значения.

Ламповые усилители мощности звуковой частоты могут значительно быстрее поглощать эти помехи. Благодаря такому свойству звук поступает из устройства намного чище. Модели подобных характеристик часто используются для преобразования звучания акустических и электрогитар.

Достаточно сказать, что класс A/B выполняет свои обещания, легко превзойдя эффективность чистых конструкций класса A с показателями порядка ~50-70%, достигаемыми в реальном мире. Фактические уровни, конечно же, зависят от того, насколько смещен усилитель, а также от программного материала и других факторов. Стоит также отметить, что некоторые разработки класса A/B делают еще один шаг вперед в своем стремлении устранить искажения кроссовера, работая в чистом режиме класса A до нескольких ватт мощности. Это дает некоторую эффективность при работе на низких уровнях, но при этом гарантирует, что усилитель не превратится в печь при подаче большого количества энергии.

Классы G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных для повышения эффективности. С технической точки зрения, ни усилители класса G, ни класса H официально не признаны. Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A/B, использующие переключение напряжения на шине и модуляцию шины соответственно. В любом случае в условиях низкого спроса система использует более низкое напряжение на шине, чем аналогичный усилитель класса A/B, что значительно снижает энергопотребление. Когда возникают условия высокой мощности, система динамически увеличивает напряжение на шине (то есть переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.

Недостатки есть тоже. Главный из них заключается в высокой стоимости. В оригинальных схемах коммутации сетей использовались биполярные транзисторы для управления выходными потоками, что повышает сложность и стоимость. Высококачественные ламповые усилители звуковой частоты этого типа распространены, хоть и цена начинается от 50 тысяч рублей. Блок считается профессиональной техникой для работы на сцене либо проведения звукозаписи в студии. Есть проблемы с транзисторами. При продолжительной нагрузке часть из них может выходить из строя.

Сегодня цена часто уменьшается до некоторой степени при использовании сильноточных МОП-транзисторов для выбора либо изменения направляющих. Использование полевых МОП-транзисторов не только повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньше деталей (обычно одно устройство на поток). В дополнение к стоимости коммутации на шине, самой модуляции, также стоит отметить, что некоторые усилители класса G используют больше выходных устройств, чем типичная конструкция класса A/B.

Одна пара устройств будет работать в типичном режиме A/B, питаясь от низковольтных шин. Между тем другая находится в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, активируемый только в зависимости от ситуации. Выдерживают высокие нагрузки только классы G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность оправдывает себя. Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G/ H в отличие от A/B, учитывая, что возможность переключения в режим низкой мощности означает, что они могут обойтись с немного меньшим радиатором.

Класс D

Этот тип устройств дает возможность создавать свои модульные системы. При помощи оборудования происходит высококачественная обработка всего выходящего потока. Проектирование усилителей мощности звуковой частоты позволяет создать свою мультимедиасистему для работы или развлечений. Однако здесь есть свои нюансы. Часто ошибочно называемые цифровым усилением, преобразователи класса D представляют собой гарантию эффективности блока и при этом в реальных испытаниях достигаются коэффициенты, превышающие 90 %.

Сначала стоит разобрать вопрос, почему это относится к классу D, если «цифровое усиление» является неправильным. Это была просто следующая буква в алфавите, с классом C, используемым в аудиосистемах. Что еще более важно, как 90%+ эффективность может быть достигнута. В то время как все ранее упомянутые классы усилителей имеют одно или несколько выходных устройств, которые постоянно активны, даже когда преобразователь фактически находится в режиме ожидания, блоки класса D быстро переключают их в состояние «выключено» и «включено». Это достаточно удобно и дает возможность задействовать модуль только в нужные моменты.

Например, расчет усилителей звуковой частоты класса T, которые являются реализацией класса D, разработанного Tripath, в отличие от базового устройства, используют частоты переключения порядка 50 МГц. Выходные устройства обычно управляются широтно-импульсной модуляцией. Это когда прямоугольные волны различной ширины генерируются модулятором, который представляет аналоговый сигнал для воспроизведения. При строгом контроле устройств вывода таким способом теоретически возможна эффективность в 100% (хотя, очевидно, она недостижима в реальном мире).

Углубившись в мир усилителей звуковой частоты класса D, можно также найти упоминание об аналоговых и цифровых управляемых модулях. Эти блоки с управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи. С другой стороны, в усилителях класса D с цифровым преобразованием используется цифровое управление, которое переключает ступень мощности без контроля ошибок. Это решение также находит одобрение, согласно отзывам многих покупателей. Однако ценовой сегмент здесь намного выше.

Исследование усилителя звуковой частоты показало, что аналогово-управляемый класс D имеет преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, так как он обычно предлагает более низкий выходной импеданс (сопротивление) и улучшенный профиль искажений. Это повышает исходные значения системы при ее максимальной нагрузке.

Параметры усилителей звуковой частоты при этом намного выше, чем у базовых моделей. Стоит понимать, что подобные расчеты требуются только для создания музыки в студии. Обычным покупателям эти характеристики можно пропускать.

Обычно это L-цепь (индуктор и конденсатор), размещенная между усилителем и громкоговорителями для уменьшения шума, связанного с работой класса D. Фильтр имеет большое значение. Плохой дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя конструкции, которые не используют обратную связь на этом этапе, могут настраивать свой отклик на определенный импеданс, когда такие усилители имеют сложную нагрузку (то есть громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от нагрузки на динамик. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавное реагирование на сложные нагрузки.

В конечном счете сложность усилителей электрических звуковых частот класса D имеет свои преимущества. Эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется на тепло, требуется гораздо меньше затрат энергии. Таким образом, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и способности снижать вес относительно традиционных аналоговых/линейных источников питания.

В совокупности даже мощные усилители класса D могут весить всего несколько килограммов. Недостаток источников питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками заключается в том, что первые обычно не имеют большого динамического запаса.

Испытания и многочисленные тестирования усилителей звуковой частоты класса D с линейными источниками питания по сравнению с модулями SMPS показали, что это действительно так. Когда два усилителя обрабатывали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог создавать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, дизайн SMPS становится все более распространенным явлением, и в магазинах можно ожидать увидеть более качественные блоки класса D следующего поколения, использующие подобные формы.

Сравнение эффективности классов AB и D

Хотя эффективность усилителя мощности звуковой частоты на транзисторах класса A/B повышается по мере приближения к максимальной выходной мощности, конструкции класса D поддерживают высокий коэффициент полезного действия в большинстве рабочих диапазонов. В результате эффективность и качество звучания все больше склоняется в пользу последнего блока.

Использование одного преобразователя

При правильной реализации любой из вышеперечисленных блоков за пределами класса B может сформировать основу усилителя высокой точности. Помимо потенциальных ошибок производительности (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущим классу), выбор типа блока в значительной степени является вопросом стоимости в сравнении с эффективностью.

На сегодняшнем рынке простой усилитель звуковой частоты класса A/B доминирует, и на то есть веская причина. Он очень хорошо работает, относительно дешевый, а его эффективность вполне адекватна для приложений с низким энергопотреблением (>200 Вт). Конечно, поскольку производители преобразователей пытаются расширить границы поставки, к примеру, при помощи моноблока Emotiva XPR-1 мощностью 1000 Вт, они обращаются к конструкциям класса G/H и D, чтобы избежать двойного использования их усилителей в качестве систем, способных быстро нагреть технику. Между тем в другой стороне рынка есть поклонники класса А, которые могут простить недостаток эффективности устройства в надежде на более чистый звук.

Итог

В конце концов, классы преобразователей необязательно так важны. Конечно, есть актуальные различия, особенно когда речь идет о стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, в весе. Безусловно, техника класса А мощностью 500 Вт – плохая идея, если, конечно, пользователь не имеет мощную систему охлаждения. С другой стороны, различия между классами не определяют качество звука. В конце концов, это сводится к разработке и реализации собственных проектов. Важно понимать, что преобразователи – это только одно устройство, которое входит в состав аудиосистемы.