Если у вас есть достаточно места, подумайте о выборе усилителя класса AB для ваших колонок. Проектирование этих устройств прошло проверку временем, и они отличаются высоким качеством звучания. Кроме того, в случае поломки их можно легко отремонтировать в ближайшей мастерской.
Классы усилителей звука
Вероятно, многие из вас сталкивались с понятием, что существует множество классов современных усилителей. Однако, не имея глубоких знаний в области акустических систем и технических характеристик аудиооборудования, мало кто понимает, что стоит за этими обозначениями.
В данном обзоре мы подробнее рассмотрим различные категории усилителей и предоставим рекомендации по выбору подходящей модели для ваших нужд.
Классификация
Класс усилителя определяется объемом выходного сигнала, который достигается синусоидальным входным сигналом в процессе его работы в течение одного рабочего цикла, в результате чего происходит соответствующая модификация сигнала. Классификация таких устройств зависит от линейности рабочего режима, используемого для усиления входных сигналов: от классов с высокой точностью и низким коэффициентом полезного действия (КПД) до полностью нелинейных систем, где точность сигнала остается на низком уровне, но эффективность значительно возрастает. Прочие классы усилителей занимают промежуточные позиции между данными крайностями.
Первая группа
Все классы усилителей могут быть условно разделены на две подгруппы. Первая группа включает традиционные модели, такие как классы A, B, AB и C. Класс каждого из этих усилителей определяется их проводимостью в определённой части выхода. Таким образом, работа встроенного транзистора на выходе колеблется между состоянием «выключено» и «включено».
Вторая группа
Ко второй группе относятся более современные устройства, относимые к так называемым коммутационным классам — модели D, E, F, а также G, S, H и T.
Эти усилители используют широтно-импульсную модуляцию и цифровые схемы, благодаря чему происходит постоянное переключение сигнала между состояниями «полностью выключен» и «полностью включен». Это приводит к значительному увеличению выходного сигнала в области насыщения.
Описание популярных классов
В следующих разделах мы подробно рассмотрим различные классы усилителей.
А
Модели класса A являются наиболее популярными благодаря своей простоте и эффективности. Они демонстрируют низкий уровень искажений входного сигнала, что приводит к высокому качеству звучания по сравнению с другими категориями усилителей. Этот класс отличается высокой линейностью, что делает его привлекателен для аудиофилов.
Усилители класса A обычно используют один биполярный транзистор, который подключается по конфигурации база-эмиттер для обеих половин сигнала. В результате этого германиевый транзистор всегда проводит ток, даже если на входе отсутствует фазовый сигнал. Это сосредотачивает выходной каскад на линии между режимами отключения и насыщения, с точкой смещения, часто расположенной в середине линии нагрузки. Однако такая конструкция подвергает транзистор постоянному включению и является его значительным недостатком.
Для того чтобы устройство имело статус усилителя класса A, ток холостого хода на выходном каскаде должен соответствовать или превышать предельный ток нагрузки, что обеспечивает максимальную производительность.
Из-за несимметричной работы в линейном диапазоне всех заданных кривых, выходной каскад проходит через все 360 градусов, что делает устройство класса A источником тока. У этих усилителей жизнь проходит в диапазоне гиперполосы, что требует корректировки постоянного тока для достижения оптимальной акустической мощности на уровне 24 Вт. Но постоянное отключение означает, что они потребляют энергию даже при отсутствии сигнала, что приводит к значительным потерям мощности и постоянному выделению тепла. Эффективность таких усилителей обычно не превышает 40%, что делает их нецелесообразными для использования в мощных акустических системах. Кроме того, в силу высокого тока холостого хода эти устройства требуют мощные и качественно фильтруемые источники питания. Эти проблемы с нагревом и эффективностью вызвали постоянные усилия производителей по разработке более прогрессивных и эффективных усилителей.
В
Усилители класса B были разработаны для борьбы с недостатками, связанными с эффективностью и перегревом класса A. В устройствах класса B используются пары дополнительных транзисторов, которые, как правило, являются биполярными. Выходной сигнал интегрирован в схему push-pull, где каждое устройство усиливает лишь одну половину сигнала.
Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?
Многие, безусловно, знакомы с понятием классов усилителей, включая A, AB и D. Тем не менее, не все знают, что конкретно этими обозначениями охватываются, и что они фактически представляют. В этой части мы рассмотрим, как работает каждый из вилок усилителей и выясним, как выбрать подходящий вариант под ваши условия и предпочтения.
Прежде всего, чтобы разобраться в классификациях, следует понять принцип работы усилителя в целом. Возможно, вы будете удивлены, но по сути усилитель ничего не усиливает сам по себе; его работа схожа с процессом открывания крана: вы вращаете ручку, и вода течет, меняя объём, иногда больше и быстрее, иногда медленно или вовсе останавливаясь.
Так же обстоит дело и с усилителями: электрический ток из источника высокой мощности проходит через динамики, подключенные к усилителю. Роль «ключа» в этом процессе играют выходные транзисторы, которые открываются и закрываются по сигналу, поступающему от источника при входе. Как эти транзисторы выполняют свою работу, определяется классом усилителя, к которому они принадлежат.
Как работают усилители АВ-класса?
Фактически, эффективный усилитель должен работать без искажений, что подразумевает, что выходной сигнал должен совпадать с входным. Однако, как показывает практика, электроника не идеальна, и многие компоненты имеют свои ограничения.
Транзисторы имеют тенденцию работать не совсем так, как предполагается, и не всегда ровно открываются и закрываются в зависимости от входного сигнала. Это похоже на то, как вода в кране начинает течь очень медленно, затем внезапно усиливается до более высокого потока.
Вследствие этой нелинейности в AJ-усилителях транзисторы остаются включенными даже при отсутствии сигнала. Это делается для того, чтобы они могли реагировать сразу на минимальные изменения на входе, не дожидаясь, пока сигнал достигнет определенной величины. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить искажения и решает проблему с качеством звука.
Однако при этом часть полезной энергии теряется. Вообразите, что все краны в вашем доме открыты, и вода течет из разных источников.
Однако транзисторы никогда не бывают абсолютно выключенными. Если это произошло, это свидетельствует о достигнутом максимальном выходном сигнале, и усилитель начинает «дросселировать» сигнал, что также является нежелательным состоянием.
Ключевым моментом является то, что AV-усилитель всегда выделяет полезную мощность и имеет КПД, который намного ниже 100%. На практике этот коэффициент измеряется в пределах 40-70%. Низкая эффективность представляет собой существенный недостаток AV-усилителей.
Как работают усилители D-класса
Принцип работы D-класса, в общем, аналогичен работе AB-класса — такие усилители также используют выходные транзисторы, которые могут открываться или закрываться в зависимости от величины тока, проходящего через динамики, а их открытие происходит под управлением сигнала, форма которого значительно отличается от входного сигнала.
Сигнал, поступающий на усилитель от основного блока, является непрерывным, но его амплитуда изменяется постоянно. На входе усилителя класса D этот сигнал преобразуется в импульсный — его амплитуда остается постоянной, но появляются прерывания. Длительность данных импульсов и пауз между ними меняется в зависимости от структуры входного сигнала. К примеру, если увеличивается амплитуда входного сигнала, импульсы становятся длиннее; если же она уменьшается, длина импульсов также сокращается.
Этот сигнал подается на выходные транзисторы, и тут они функционируют совершенно иначе – либо находятся в полностью открытом состоянии, либо в полностью закрытом, без промежуточных состояний. Это означает, что потери, вызванные нежелательным теплом, минимальны, тем самым выход сигнала усилителя класса D может быть весьма близок к идеальному состоянию на уровне 100%.
Однако прежде чем сигнал может быть введён непосредственно в динамики, он требует «восстановления» своей первоначальной формы через специальные компоненты, такие как выходные катушки (индуктора) и конденсаторы. После этого фиксированный сигнал выводится, сохраняя форму входного сигнала, принимая необходимые параметры для дальнейшей передачи в динамики.
Основное достоинство усилителей класса D заключается в их высокой эффективности, что обеспечивает более рациональное использование энергии из питания. При прочих равных условиях такие усилители часто оказываются более мощными и компактными по сравнению с обычными моделями.
Класс усилителя – что это?
Усилители мощности звуковой частоты классифицируются в зависимости от способа обработки входного сигнала и принципа построения усилительных каскадов следующим образом:
- Аналоговые, класс A
- Аналоговые, класс B
- Аналоговые, класс AB
- Аналоговые, класс H
- Импульсные и цифровые, класс D
- Аналоговые, класс G
Важно подчеркнуть, что существуют и другие категории усилителей, такие как C, A+, SuperA, G, DLD и так далее. Некоторые из них, к примеру, класс C (где критический угол менее 90 градусов), не применяются в усилителях мощности. Тем временем, другие конструкции оказались слишком сложными и дорогими, и в результате их либо игнорируют, либо заменяют более доступными аналогами.
Аналоговые усилители фактически различаются лишь углом ограничения входного сигнала, то есть выбором так называемой «рабочей точки».
Класс A
Углы среза для усилительных каскадов классов A, B, AB и C.
Усилители класса A работают без ограничения подводимого сигнала в наиболее линейной части кривой усилителя, что приводит к минимальным нелинейным искажениям, как при номинальной мощности, так и при малой выходной мощности.
Компромиссом за такие минимальные искажения является значительное энергопотребление, большие размеры и вес. КПД усилителя класса A в среднем составляет всего 15-30%, и потребляемая мощность постоянно высокой, независимо от выходной мощности. Также максимальная рассеиваемая мощность имеет место при низких уровнях выходного сигнала.
Яркими примерами усилителей класса A являются транзисторный усилитель Pass Labs XA 200.5 и ламповый усилитель Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых можно увидеть в следующей таблице:
| Характеристики | Pass Labs XA 200.5 | Unison Research Sinfonia |
| Номинальная мощность | 200 Вт | 25 Вт |
| Коэффициент гармонических искажений | 1% (при 400 Вт) | не указывается |
| Диапазон воспроизводимых частот | 1.5 – 100000 Гц | 20 – 30000 Гц |
| Потребляемая мощность | 700 Вт | 500 Вт |
| Масса | 81 кг | 25 кг |
Пример сильного представителя 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 на границе 90 градусов, что достигается с использованием схемы push-pull, где каждая часть схемы отвечает за усиление её «половины» сигнала. Одной из основных сложностей в усилителях класса B являются искажения, возникающие в ходе перехода от одной полуволны к другой. Это приводит к максимальным нелинейным искажениям при низких уровнях входного сигнала.
Ступенчатые искажения в усилителях класса B.
Основное преимущество усилителя класса B заключается в его высокой эффективности, теоретически достигающей 78%. Соответственно, потребляемая мощность таких устройств пропорциональна выходной мощности и равна нулю, когда входного сигнала нет. Не смотря на высокую эффективность, среди современных моделей достаточно сложно найти устройства класса B.
Усилители класса A
Усилители класса A являются самыми популярными среди аудиофилов благодаря простой конструкции. Класс A обозначается как «лучший»: он отличается минимальным уровнем искажений, что делает его звучание одним из лучших среди всех классов. Усилители данного класса обеспечивают высокую линейность и работают в линейной части их характеристиках.
В усилителях класса A обычно используется один и тот же транзистор или лампа (например, биполярный, FET, IGBT и т.д.), встроенная в конфигурацию с общим эмиттером, позволяющая обрабатывать обе половины сигнала. Транзистор постоянно проводит ток, и даже при отсутствии сигнала на базе, что приводит к работе только в линейной области. Это затрудняет полное выключение устройства, что является основным недостатком.
Усильитель класса A
Для поддержания высокой линейности и адекватного усиления выходной каскад усилителя класса A всегда «включен». Для того чтобы усилитель получил статус «класса A», ток холостого хода в выходном каскаде должен равняться или превышать максимальный ток нагрузки (для, как правило, динамиков), чтобы обеспечить высокий выходной сигнал.
Эти усилители обладают высокими требованиями к источникам питания, так как работают в линейном диапазоне на основе постоянных токов, что требует качественных транзисторов и ламп для корректного функционирования и минимизации искажений. Тем не менее, при непрерывной работе они выделяют много тепла и имеют КПД порядка 30%, поэтому их трудно применять для мощных установок. Поскольку у класса A высокие потери мощности и стабильные температурные проблемы, они не подойдут для обычных пользователей, не являющихся аудиофилами, хотя обеспечивают непревзойдённое качество звука!
Усилители класса B
Усилители класса B появились как ответ на проблемы с производительностью и теплом, наблюдаемыми в классе A. Они используют два биполярных транзистора для каждой половины сигнала, где выходной каскад функционирует на основе схемы «push-pull», позволяя каждому массиву транзисторов усиливать лишь половину выходного сигнала.
Усилитель класса B не имеет постоянного смещения; ток покоя равен нулю, следовательно, мощность постоянного тока значительно снижается, а эффективность более высокая по сравнению с другими классами. Однако ценой его улучшенных характеристик являются небольшие нелинейные искажения в процессе переключения.
Усилитель класса B
В процессе работы, когда входной сигнал становится положительным, один из транзисторов активируется для преобразования его в отрицательный, выключая в этот момент другой транзистор. Когда сигнал переходит в отрицательное состояние, обратный транзистор исполняет свою роль, активируя только отрицательную часть сигнала. Таким образом, транзистор открывается лишь наполовину в положительной или отрицательной полуволнах.
Каждый транзистор в схеме класса B проходит только 180 градусов выходного сигнала в строго определенные моменты, однако выходной каскад объединяет обе половины сигнала, чтобы достичь полной линейной формы выходного сигнала.
Эффективность усилителя класса B превосходит таковые у класса A, однако он может порождать искажения в нулевой переходной точке из-за мёртвой зоны входного напряжения в диапазоне 0,7-0,7 В от базы. Это означает, что выходной каскад не может воспроизвести полную линейную форму выходного сигнала.
Таким образом, часть сигнала в диапазоне 0,7 В не будет воспроизводиться точно, что делает усилители класса B плохими для высокоточного звука. Для устранения этого рода искажений (известного также как искажение нулевого перехода) были созданы усилители класса AB.
Усилители класса AB
Как уже упоминалось в названии, усилитель класса AB сочетает в себе характеристики классов A и B, и в настоящее время устройства этого класса широко используются в аудио. Усилитель класса AB — это модифицированный усилитель класса B, но, в отличие от него, оба устройства могут функционировать одновременно в области пересечения сигналов, что позволяет исключить искажения, связанные с кроссоверным переключением, свойственные устройства класса B.
Для двух транзисторов подают очень низкое смещение, как правило, в диапазоне 5-10% от тока покоя; это дает возможность подстегнуть работающие элементы чуть выше их порогового значения.
Класс B
Элемент, функционирующий в классе B, способен усиливать как положительные, так и отрицательные синусоидальные волны.
Данный класс используется в усилителях нельзя переключать, где одном транзисторе усиливает положительную полуволну, а второго — отрицательную.
Усилительный каскад класса B в схеме push-pull. Тем не менее, выход усилителя этого класса искажен, и это искажение называют «искажением высоты тона».
Для устранения данного искажения требуются переход на класс AB. На следующем рисунке представлено графическое сравнение выходных сигналов двух усилителей классов B и AB в отношении к их входным сигналам.
Класс D
Принцип работы в этом классе заключается в том, что транзистор может быть либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Это достигается благодаря модуляцию с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что обеспечивает КПД данного каскада выше 90% (при различных линиях нагрузки).
Недостатком этого класса являются искажения, возникающие в результате модуляции, поскольку фиксируются промежутки времени, чтобы избежать утечек.
Сильные источники искажений также могут исходить из L- и C-компонентов фильтра.
Усилители класса G и H
Прежде всего, следует упомянуть об источниках питания для усилителей, так как для достижения высоких показателей требуется напряжение питания на высоком уровне.
Таким образом, необходимость поддерживать высокое напряжение при низких выходных значениях в значительной мере может снизить производительность усилителя.
Именно поэтому был разработан классы G и H.
Разница в этих устройствах заключается в типе источника питания, который меняется в зависимости от потребностей: ступенчатый для класса G или бесступенчатый – для класса H.
В усилителях класса H напряжение питания меняется плавно, что обеспечивает управление транзисторами в режиме «усилителя». В случае класса G уровень питания изменяется поэтапно, так как транзисторы работают в режиме переключения (либо полностью открыты, либо полностью закрыты).
Усилитель класса H
Усилитель класса G
В заключение можно сказать, что для комфортного прослушивания в домашних условиях целесообразно использовать усилители классов A, AB или D.
