Если позволяет место, вы можете выбрать для своих колонок усилитель класса AB. Их схемы проверены годами, имеют высокое качество звучания и в случае повреждения легко ремонтируются в ближайшей мастерской.
Классы усилителей звука
Наверное, многие слышали, что современные усилители можно разделить на разные категории. Однако люди, не знакомые с акустическими системами и техническими характеристиками звукового оборудования, понятия не имеют, что скрывается за буквами.
В этом обзоре мы более подробно расскажем, какие существуют категории усилителей и как выбрать оптимальную модель.
Классификация
Класс усилителя — это количество выходного сигнала, до которого он доводится синусоидальным входным сигналом в рабочей цепи в течение одного рабочего цикла, и изменяется соответствующим образом. Классификация усилителей на классы зависит от параметров линейности рабочего режима, используемого для усиления входящих сигналов, от классов с повышенной точностью при достаточно низком КПД до полностью нелинейных. В этом случае точность сигнала не так высока, но эффективность довольно высока. Все остальные классы усилителей являются промежуточными моделями между этими двумя группами.
Первая группа
Все классы усилителей можно условно разделить на две подгруппы. Первые — это классические контролируемые модели классов A, B, AB и C. Их класс определяется параметром их проводимости на определенном участке выхода. Таким образом, функция встроенного транзистора на выходе находится на полпути между «выключено» и «включено».
Вторая группа
Ко второй категории относятся более современные модели, относящиеся к так называемым коммутационным классам — модели D, E, F, а также G, S, H и T.
Эти усилители используют широтно-импульсную модуляцию, а также цифровые схемы для непрерывного переключения сигнала между «полностью выключен» и «полностью включен». Следовательно, в районе насыщения наблюдается сильный выход.
Описание популярных классов
Различные классы усилителей будут рассмотрены более подробно.
А
Модели класса А являются наиболее широко используемыми из-за своей простоты. Это обусловлено низкими параметрами искажений входящего сигнала и, как следствие, высоким качеством звучания по сравнению со всеми другими категориями усилителей. Модели этой категории характеризуются высокой линейностью по сравнению с другими.
Усилители класса А обычно используют для своей работы вариант с одним транзистором. Он подключен к конфигурации база-эмиттер для обеих половин сигнала, так что германиевый транзистор всегда проходит, даже если нет фазового сигнала. Это означает, что выходной каскад не полностью проходит через диапазон отсечки и насыщения сигнала. Он имеет свою собственную точку смещения примерно посередине линии нагрузки. Такая конструкция приводит к тому, что транзистор просто не включается — это считается одним из самых больших его недостатков.
Чтобы отнести устройство к этой категории, ток холостого хода на выходном каскаде должен быть равен или превышать предельный ток нагрузки для обеспечения максимальной производительности.
Поскольку устройства класса А являются несимметричными и работают в линейном диапазоне всех заданных кривых, один выходной каскад проходит через все 360 градусов, что делает устройство класса А полностью источником тока.
Поскольку усилители этого класса работают в области гиперполосы, как уже упоминалось, смещение по постоянному току должно быть установлено правильно для обеспечения правильной работы и достижения акустической мощности 24 Вт. Однако, поскольку выходное устройство всегда выключено, оно постоянно потребляет энергию, что приводит к постоянному рассеиванию мощности во всей конструкции. Эта функция выделяет много тепла, а ее эффективность довольно низкая — не более 40%, что делает ее непрактичной для некоторых мощных акустических систем. Кроме того, из-за повышенного тока холостого хода устройства, источник питания должен быть правильно подобран по размеру и максимально отфильтрован, иначе не избежать гула усилителя и гула третьих лиц. Эти недостатки заставили производителей постоянно работать над созданием более эффективных усилителей.
В
Усилители класса B были разработаны производителями для решения проблемы низкой эффективности и чрезмерного перегрева, связанной с предыдущим классом. В моделях класса B используется пара дополнительных, обычно биполярных, транзисторов. Разница заключается в том, что выходной фронт для обеих половин сигнала интегрирован в схему push-pull, так что каждое расположение транзисторов обеспечивает только половину усиления выходного сигнала.
Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?
Все наверняка слышали, что усилители могут быть класса A, AB или, скажем, класса D. На практике, однако, не все знают, что скрывается за этими обозначениями. Мы расскажем вам, что это такое, и попытаемся на их основе сделать выводы о том, какой усилитель подходит для вашего слухового аппарата и когда.
Во-первых, необходимо понять, как работает каждый усилитель в целом. Это может вас удивить, но на самом деле он ничего не усиливает. Он работает как обычный кран — вы поворачиваете ручку и вода включается, иногда больше, иногда меньше, иногда совсем не включается.
С усилителями все точно так же — ток от источника высокой мощности проходит через динамик, подключенный к усилителю. Роль «ответвителя» играют выходные транзисторы, открытием и закрытием которых управляет сигнал, поступающий в усилитель от головного устройства. То, как работает этот «ответвитель» (выходные транзисторы), определяет класс усилителя.
Как работают усилители АВ-класса?
Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Другими словами, выходной сигнал должен иметь точно такую же форму, как и входной сигнал. К сожалению, ничто не совершенно, даже электронные компоненты.
Транзисторы, например, имеют свойство не открываться и не закрываться точно пропорционально входному сигналу. Другими словами, их работа нелинейна. Это как включить кран, вода сначала течет слабо, а потом вдруг резко поднимается в какой-то момент.
Из-за этой нелинейности транзисторы в AV-усилителях обычно должны оставаться включенными даже при отсутствии сигнала. Это делается для того, чтобы они действовали немедленно по малейшему сигналу и не ждали, пока сигнал достигнет определенного значения. Таким образом, усилитель работает с минимальными искажениями, и проблема кажется решенной.
Это означает, что часть полезной энергии расходуется усилителем. Представьте, что вы включили все краны в своем доме, и вода течет из каждого из них.
Но транзисторы также никогда не бывают полностью открытыми. Если это так, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимального значения и усилитель только начинает дросселировать.
Суть в том, что AV-усилитель всегда имеет полезную рассеиваемую мощность и КПД, далекие от идеальных 100 %. На практике их эффективность обычно составляет от 40 до 70 %. Низкая эффективность — самый большой недостаток AV-усилителей.
Как работают усилители D-класса
Основной принцип работы класса D точно такой же, как и у класса AB — эти усилители также имеют выходные транзисторы, которые могут открываться или закрываться, регулируя ток, проходящий через подключенные динамики. Только их открытие управляется сигналом, форма которого совершенно отличается от входного сигнала.
Сигнал, поступающий на усилитель из основного блока, является непрерывным, но его амплитуда постоянно меняется. На входе усилителя класса D он преобразуется в импульсный сигнал — амплитуда постоянна, но сигнал прерывается. Длительность импульсов и паузы между ними изменяются в зависимости от входного сигнала. Например, если амплитуда входного сигнала больше, импульсы длиннее; если амплитуда меньше, импульсы короче.
Это сигнал, который подается на выходные транзисторы. И, конечно, в этом случае они функционируют совершенно по-разному — либо полностью открытые, либо полностью закрытые, без возможности промежуточного варианта. Это означает, что потери из-за ненужного нагрева минимальны, а значит, выход усилителя класса D может быть очень близок к идеальному на 100%.
Конечно, еще слишком рано подавать этот прерывистый сигнал непосредственно в динамики, пока он не «восстановился» в свою нормальную форму. Это достигается за счет использования специальных элементов, таких как выходная катушка (индуктор) и конденсатор. Затем они выводят усиленный сигнал, который имеет ту же форму, что и входной сигнал. Так что он попадает в динамики.
Основным преимуществом усилителей класса D является их высокая эффективность, что означает более экономное использование энергии источника питания. При прочих равных условиях усилители класса D мощнее и компактнее обычных усилителей.
Класс усилителя что это
В зависимости от способа обработки входного сигнала и принципа построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты подразделяются:
- Аналоговые, класс А
- Аналоговые, класс В
- Аналоговые, класс АВ
- Аналоговые, класс H
- Импульсные и цифровые, класс D
- Аналоговые, класс G
Следует отметить, что существует множество других категорий усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и т.д. Некоторые из них, такие как C (критический угол менее 90 градусов), не используются в усилителе мощности. Однако другие оказались слишком сложными и дорогими, поэтому они «исчезли со сцены» или были заменены более перспективными конструкциями.
Аналоговые усилители фактически отличаются только углом ограничения входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».
Класс A
Углы среза для усилительных каскадов классов A, B, AB и C.
Усилители класса А работают без ограничения сигнала в наиболее линейной части кривой напряжения усилителя. Это обеспечивает минимальные нелинейные искажения (THD и IMD) как при номинальной мощности, так и при низкой мощности.
Компромиссом за этот минимум является огромное энергопотребление, размер и вес. КПД усилителя класса А составляет в среднем 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от выходной мощности. Рассеиваемая мощность максимальна при низких уровнях выходного сигнала.
Интересными примерами усилителей класса А являются транзисторный усилитель Pass Labs XA 200.5 и ламповый усилитель Unison Research Sinfonia, сравнение которых приведено в следующей таблице:
| Характеристики | Pass Labs XA 200.5 | Unison Research Sinfonia |
| Номинальная мощность | 200 Вт | 25Вт |
| Коэффициент гармонических искажений | 1% (400Вт) | не указывается |
| Диапазон воспроизводимых частот | 1.5 – 100000 Гц | 20 – 30000 Гц |
| Потребляемая мощность | 700 Вт | 500 Вт |
| Масса | 81 кг | 25 кг |
Представитель усилителей класса A — Unison Research Sinfonia
Усилитель Unison класса B — Усилитель Unison — Усилитель класса A — Усилитель класса B — Усилитель Unison Amplifier Sinfonia Sound — Усилитель Unison Amplifier Sinfonia Sound
Принцип работы усилителей классов A, B и C.
Элементы усилителя работают с границей 90 градусов. Для достижения этой цели в усилителе используется схема push-pull, в которой каждая часть схемы усиливает свою «половину» сигнала. Основной проблемой усилителей класса B являются искажения, вызванные постепенным переходом от одного полутона к другому. Поэтому нелинейные искажения достигают максимума при низких уровнях входного сигнала.
Ступенчатые искажения в усилителях класса B.
Преимуществом усилителя класса B является его высокий КПД, который теоретически может достигать 78 %. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности и равна нулю при отсутствии сигнала на входе. Несмотря на высокую эффективность, среди современных моделей вряд ли можно найти усилитель класса В.
Усилители класса А
Усилители класса А являются наиболее распространенным типом усилителей в основном из-за их простой конструкции. Класс А буквально означает «лучший класс», в основном из-за низкого уровня искажений сигнала, возможно, самого лучшего звучания из всех перечисленных здесь классов усилителей. Усилитель класса А имеет самую высокую линейность среди всех других классов усилителей и поэтому работает на линейной части характеристической кривой.
Как правило, в усилителях класса А используется один и тот же транзистор (биполярный FET, IGBT и т.д.), подключенный к общему эмиттеру для обеих половин сигнала транзистора, который всегда проводит ток, даже когда у него нет сигнала базы. Это означает, что выходной каскад с биполярным прибором, MOSFET или IGBT, никогда не управляется полностью (не выключается), но имеет базу смещения Q-точки в середине линии нагрузки. Но транзистор никогда не выключается, что является одним из его самых больших недостатков.
Усилитель класса A
Для достижения высокой линейности и хорошего усиления выходной каскад усилителя класса А постоянно «включен». Чтобы квалифицировать усилитель как усилитель «класса А», ток холостого хода в выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки (обычно громкоговорителя), необходимый для создания большого выходного сигнала.
Усилитель класса А работает в линейном диапазоне, кстати, усилитель класса А предъявляет высокие требования к источнику тока.
Усилитель класса А работает в линейном диапазоне на основе транзисторов или ламп постоянного тока, и они должны быть выбраны (транзисторы и лампы) для обеспечения правильной работы и низкого уровня искажений. Однако они сильно нагреваются, потому что работают непрерывно (не в состоянии покоя и без перерыва), усилитель класса А постоянно проводит ток, что является непрерывной потерей мощности в усилителе.
Из-за этих постоянных потерь усилители класса А выделяют огромное количество тепла, что добавляет к их очень низкому КПД около 30 %, делая их непригодными для использования в мощных установках. Кроме того, из-за высокого тока покоя усилителя, источник питания должен быть соответствующего размера и хорошо отфильтрован, чтобы избежать гула, шума и помех от усилителя. Из-за низкой эффективности и серьезных проблем с нагревом усилители класса А не подходят для обычных людей (не аудиофилов), но они обладают высочайшим качеством звука!
Усилители класса B
Усилители класса B были изобретены как решение проблем с мощностью и тепловыделением более ранних усилителей класса A. Усилитель класса B использует два биполярных или РТ транзистора для каждой половины сигнала, при этом выходной каскад установлен в режим «push-pull», так что каждый массив транзисторов усиливает только половину выходного сигнала.
В усилителе класса B отсутствует постоянное смещение базового тока, а ток покоя равен нулю, поэтому мощность постоянного тока мала, а эффективность, соответственно, намного выше, чем у усилителей других классов. Однако ценой улучшения характеристик является небольшой нелинейный блок переключения.
Усилитель класса B
Когда входной сигнал становится положительным, транзистор преобразует его в отрицательный и в этот момент переключается в положение «OFF». Когда входной сигнал становится отрицательным, положительный транзистор переключается «OFF», а отрицательный транзистор переключается «ON» и управляет отрицательной частью сигнала. Таким образом, транзистор открыт только наполовину для положительной или отрицательной половины входного сигнала.
Далее мы видим, что каждый транзистор в усилительном массиве класса B проводит только половину или 180 градусов выходного сигнала в строгой временной последовательности, но выходной каскад объединяет эти две половины сигнала вместе для получения полной линейной формы выходного сигнала.
Усилитель класса В более эффективен, чем усилитель класса А, но может вызвать искажения на нулевом переходе формы сигнала из-за мертвой зоны входного напряжения транзисторов от базы до 0,7 — 0,7 В. Это означает, что выходной каскад сигнала не сможет выдать полную линейную форму выходного сигнала.
Это означает, что часть сигнала, находящаяся в пределах 0,7 В, не будет воспроизведена точно, что делает усилитель класса B непригодным для высокоточного звука.
Для преодоления этого искажения (также известного как искажение нулевого перехода) были разработаны усилители класса АВ.
Усилители класса АВ
Как следует из названия, усилитель класса AB сочетает в себе описанные выше типы усилителей классов A и B. Усилители класса AB являются одним из наиболее часто используемых типов усилителей для аудиоприложений в настоящее время.
Усилитель класса AB — это модифицированный усилитель класса B, как описано выше, с той разницей, что оба устройства могут работать одновременно в районе точки пересечения сигналов, устраняя проблемы искажения кроссовера, характерные для предыдущего усилителя класса B.
На два транзистора подается очень низкое смещение, обычно 5-10% от тока покоя, для поляризации транзисторов чуть выше их точки.
Класс B
Элемент, работающий в этом классе, может усиливать только синусоидальную волну, как положительную, так и отрицательную.
Этот класс используется в усилителях push-pull, где положительная полуволна усиливается одним транзистором, а отрицательная полуволна — другим.
Усилительный каскад класса B push-pull. Но выход усилителя этого класса искажен. Это искажение называется «искажением высоты тона».
Чтобы устранить это искажение, нам нужно перейти на класс АВ. На следующем рисунке показаны два усилителя классов B и AB и их выходные сигналы по отношению к входному.
Класс D
Принцип работы этого класса. В этом режиме транзистор либо открыт, либо полностью заблокирован. Это достигается с помощью модулятора ШИМ-сигнала, благодаря чему КПД этого каскада составляет более 90% (практически при любых усилиях).
Недостатком этого каскада является искажение. Это происходит в результате процесса модуляции, так как существует мертвое время, чтобы избежать утечки.
Сильными источниками искажений также являются L- и C-элементы фильтра.
Усилители класса G и H
Сначала поговорим об источнике питания усилителей. Для достижения высокой производительности требуется высокое напряжение питания.
Поэтому нет необходимости подавать высокое напряжение при более низких выходных напряжениях, а производительность усилителя при более низких выходных напряжениях будет страдать.
В результате получаются усилители классов G и H.
Разница между этими усилителями заключается в источнике питания, который меняется по мере необходимости и является ступенчатым или бесступенчатым в зависимости от того, является ли усилитель усилителем класса G или класса H.
В усилителях класса H напряжение питания изменяется плавно, то есть транзисторы находятся в режиме усилителя, тогда как в усилителях класса G напряжение питания изменяется постепенно, поскольку транзисторы этого класса находятся в режиме переключения (полностью открыты или полностью закрыты).
Усилитель класса H
Усилитель класса G
Вывод: Для комфортного прослушивания в домашних условиях следует использовать усилители класса A, AB или D.
