Класс усилителя d. Усилители класса D: принцип работы, преимущества и недостатки

Как работают усилители класса D. В чем их отличие от других типов усилителей. Какие преимущества и недостатки имеют усилители класса D. Стоит ли выбирать усилитель класса D для аудиосистемы.

Что такое усилитель класса D и как он работает

Усилитель класса D — это тип усилителя мощности, использующий нелинейный (импульсный) режим работы выходных транзисторов. Основной принцип работы усилителя класса D заключается в преобразовании входного аналогового сигнала в последовательность импульсов с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Упрощенно работу усилителя класса D можно описать следующим образом:

1. Входной аналоговый сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов переменной ширины с помощью ШИМ-модулятора.
2. Полученные импульсы усиливаются выходными транзисторами, работающими в ключевом режиме.
3. Усиленный импульсный сигнал фильтруется для восстановления исходной формы сигнала.

Ключевой особенностью усилителей класса D является то, что выходные транзисторы работают только в двух состояниях — полностью открытом или полностью закрытом. Это позволяет значительно повысить КПД усилителя по сравнению с линейными усилителями других классов.

Преимущества усилителей класса D

Усилители класса D обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с линейными усилителями:

• Высокий КПД — до 90-95% против 50-70% у линейных усилителей
• Малые габариты и вес за счет отсутствия массивных радиаторов
• Низкое тепловыделение
• Возможность получения большой выходной мощности
• Низкая стоимость при массовом производстве

Высокий КПД позволяет создавать очень компактные и мощные усилители, что особенно важно для портативной техники и автомобильных аудиосистем. Малое тепловыделение упрощает конструкцию и повышает надежность.

Недостатки усилителей класса D

Несмотря на все преимущества, усилители класса D имеют и ряд недостатков:

• Более высокий уровень нелинейных искажений по сравнению с линейными усилителями
• Наличие высокочастотных помех от работы ШИМ
• Сложность схемотехники
• Проблемы с воспроизведением высоких частот
• Зависимость характеристик от нагрузки

Основные проблемы связаны с процессом преобразования сигнала в импульсную форму и обратно. Это приводит к появлению дополнительных искажений, особенно на высоких частотах. Также усилители класса D более чувствительны к параметрам нагрузки, что может негативно сказываться на качестве звучания.

Области применения усилителей класса D

Благодаря своим преимуществам, усилители класса D нашли широкое применение в различных областях:

• Портативная аудиотехника (смартфоны, плееры, наушники)
• Автомобильные аудиосистемы
• Активные акустические системы
• Профессиональные усилители мощности
• Сабвуферные усилители
• Встраиваемые аудиосистемы

Особенно эффективно использование усилителей класса D там, где важны малые габариты, вес и высокая энергоэффективность. В последние годы они также все чаще применяются в домашних Hi-Fi системах.

Сравнение усилителей класса D и AB

Усилители класса AB долгое время были стандартом для качественных аудиосистем. Как же они сравниваются с усилителями класса D?

Основные различия:

• КПД: 50-70% у AB против 90-95% у D
• Линейность: выше у AB
• Искажения: ниже у AB, особенно на высоких частотах
• Габариты и вес: значительно меньше у D
• Тепловыделение: существенно ниже у D

Усилители класса AB по-прежнему обеспечивают более высокое качество звучания, особенно в высокочастотном диапазоне. Однако современные усилители класса D вплотную приблизились к ним по качеству, при этом значительно превосходя по эффективности и компактности.

Развитие технологии усилителей класса D

Технология усилителей класса D постоянно совершенствуется. Основные направления развития:

• Повышение частоты ШИМ для расширения рабочего диапазона частот
• Улучшение фильтров для снижения искажений
• Применение цифровых методов обработки сигнала
• Интеграция усилителей в однокристальные решения
• Разработка гибридных схем, сочетающих преимущества разных классов

Современные усилители класса D способны обеспечивать качество звучания, сравнимое с лучшими линейными усилителями, при значительно более высокой эффективности. Это делает их все более привлекательным выбором для различных аудиосистем.

Стоит ли выбирать усилитель класса D

Выбор между усилителем класса D и линейным усилителем зависит от конкретных требований и условий применения. Усилитель класса D стоит рассматривать, если важны:

• Компактность и малый вес
• Высокая энергоэффективность
• Большая выходная мощность
• Низкое тепловыделение

Для высококачественных стационарных аудиосистем линейные усилители по-прежнему могут быть предпочтительнее. Однако разрыв в качестве звучания постоянно сокращается, и в большинстве случаев современный усилитель класса D обеспечит отличное качество звука при значительных преимуществах в эффективности и компактности.

Заключение

Усилители класса D представляют собой современную энергоэффективную технологию усиления звука. Благодаря высокому КПД и компактности они находят все более широкое применение в различных аудиосистемах. Хотя изначально качество звучания уступало линейным усилителям, современные модели класса D способны обеспечить превосходное качество звука при значительно меньших габаритах и энергопотреблении.

Постоянное совершенствование технологии позволяет ожидать, что в будущем усилители класса D станут доминирующим типом усилителей в большинстве аудиоприложений, от портативной техники до высококачественных Hi-Fi систем. Их развитие открывает новые возможности для создания компактных и энергоэффективных аудиосистем с высоким качеством звучания.

Усилитель класса D — мал, да удал

Функция звукового усилителя заключается в воспроизведении входного сигнала элементами выходной цепи, с необходимой громкостью и мощностью, точно, с минимальным рассеянием энергии и малыми искажениями. Усилитель должен обладать хорошими характеристиками в диапазоне звуковых частот, который находится в области 20–20 000 Гц (для узкополосных динамиков, таких как сабвуфер или высокочастотная головка, диапазон может быть уже). Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя — от милливатт в головных телефонах до нескольких ватт в телевизоре и персональном компьютере (ПК), десятки ватт в домашней или автомобильной стереосистеме; наконец, сотни ватт в наиболее мощных домашних или коммерческих аудиосистемах для театров и концертных залов.

Простейший вариант реализации усилителя звука — использование транзисторов в линейном режиме, что позволяет получить на выходе увеличенное входное напряжение. Усиление в данном случае обычно велико (по меньшей мере, 40 дБ). Часто используется отрицательная обратная связь, так как она улучшает качество усиления, снижая вызванные нелинейностью усилительных каскадов искажения и подавляя помехи от источника питания.

В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB. В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации. Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.

Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах.

Энергия рассеивается во всех линейных выходных каскадах, поскольку при обеспечении выходного напряжения, по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток и напряжение. Мощность рассеяния сильно зависит от начального смещения выходных транзисторов.

В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала. В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).

Построение выходного каскада в классе B практически исключает постоянный ток через транзисторы и существенно уменьшает мощность рассеяния. Выходные транзисторы в этом случае работают по двухтактной схеме, верхнее плечо обеспечивает положительные токи через громкоговоритель, нижнее плечо — отрицательные. Мощность рассеяния уменьшается потому, что через транзисторы протекает только связанный с сигналом ток, постоянная составляющая практически отсутствует. Однако выходной каскад класса B дает худшее качество звука вследствие нелинейного характера выходного тока при переходе через ноль (переходные искажения), что имеет место из-за особенностей включения/выключения выходных транзисторов.

В классе AB, являющемся компромиссом между A и B классами, постоянный ток смещения существует, однако гораздо меньший, чем в классе A. Небольшого постоянного тока смещения оказывается достаточно для устранения переходных искажений и обеспечения тем самым хорошего качества звучания. Мощность рассеяния в данном случае оказывается больше, чем в классе B, и меньше, чем в A классе, но все же количественно ближе к классу B. В этом случае, как и в классе B, необходимо управление выходными транзисторами для обеспечения больших положительных и отрицательных выходных токов.

Тем не менее, даже хорошо спроектированный усилитель класса AB характеризуется значительной мощностью рассеяния, так как средние значения выходных напряжений обычно далеки от напряжений на шинах питания. Большое падение напряжения между стоком и истоком приводит, таким образом, к рассеянию энергии.

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния усилителя класса D гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение. Мгновенная мощность рассеяния в этом случае минимальна.

Поскольку звуковые сигналы заметно отличаются от последовательности импульсов, для преобразования входного сигнала в набор импульсов необходим модулятор.

Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот. Фильтр должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.

Таким образом, основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Но, конечно же, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой и активно используются для построения домашних и автомобильных звуковоспроизводящих систем.

 

Компания Мастер Кит предлагает испытать преимущества таких усилителей. Рассмотрим некоторые усилители D-класса из ассортимента, предлагаемого в разделе Мультимедиа на сайте Мастер Кит.

 

1. MP3116mini — усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра (TPA3116)

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса TPA3116. Драйверы микросхемы имеют мостовое включение. Таким образом, достигается 50Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Подключаемое сопротивление акустики, Ом	4-16
Входное сопротивление, кОм	30
Максимальный ток потребления, А	4
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт	2х50
Рабочая температура, C	-40…+85
Габариты модуля (д/ш/в), мм	60х32х15
Вес	150

 

Особенности:

— широкий диапазон питающего напряжения 5В-24В;

— защита от превышения температуры корпуса микросхемы;

— защита от короткого замыкания в нагрузке;

— высокая частота преобразования 400 кГц-1,2 МГц, что позволяет получить качественный сигнал без применения громоздких фильтров для очистки ШИМ;

— высокий КПД более 90%;

— возможность подключения к линейному входу без предварительных усилителей и цепей согласования;

— применение замкнутой обратной связи обеспечивает отличный уровень подавления помех источников питания;

— на плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот.

 

2. MP3116 — усилитель НЧ D-класса 2х100Вт (TPA3116)

 

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116, включенные в мостовом режиме. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	8
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт	2х100
Рабочая температура, C	-40… 85
Габариты модуля, мм	120х80х40
Вес	150

 

3. MP3116btl — усилитель НЧ D-класса 1х150Вт для сабвуфера (TPA3116)

 

Модуль представляет собой мощный одноканальный усилитель для сабвуфера с фильтром для среза высоких частот. Универсальное питание позволяет его использовать в качестве готового усилителя для сабвуфера в машине или дома. Устройство можно использовать в качестве усилителя сабвуфера домашнего кинотеатра. Данный усилитель НЧ обладает минимальными: коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений и сопротивлений нагрузки. Для отключения фильтра и использования устройства в качестве обычного мощного монофонического усилителя необходимо удалить конденсатор C29.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	6
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…20000
Максимальная выходная мощность, Вт	1х150
Рабочая температура, C	-40… 85
Габариты модуля, мм	73х77х20
Вес	200

 

4. MP3117box — усилитель НЧ D-класс 2. 1, 2х50Вт, 1x100Вт (TPA3116)

Устройство представляет собой качественный усилитель низкой частоты D-класса в DIY корпусе из прозрачного пластика. Благодаря применению отлично зарекомендовавшей себя микросхемы TPA3116 усилитель обладает минимальным  коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений. Он способен работать с любыми акустическими системами сопротивлением от 4 Ом до 16 Ом. В модуле имеется выделенный канал для сабвуфера мощностью 100Вт.  Усилитель мощности можно использовать как на открытом воздухе для проведения различных мероприятий, так и дома при изготовлении музыкального аудиокомплекса своими руками. Отлично подойдет для компьютерной акустики или домашнего кинотеатра. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116. Одна из них используется в стереоканале, вторая, включенная в мостовом режиме, в канале сабвуфера. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	9
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	14…40000
Частота среза канала сабвуфера, Гц	90
Коэффициент усиления, дБ	26
Максимальная выходная мощность фронт. , Вт	2×50
Максимальная выходная мощность саб., Вт	1×100
Рабочая температура, C	0…+50
Габариты модуля в корпусе, мм	65х135х110
Вес	20

 

Предлагаем ознакомиться с другими материалами по теме усиления звука и построения домашних и автомобильных звукоусилительных систем на нашем сайте, например:

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор ФНЧ для сабвуфера

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

BM2114dsp — Цифровой процессор звука

Усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра

 

Наш каталог постоянно обновляется и пополняется новыми товарами, поэтому подписывайтесь на наши новости,  чтобы всегда быть всегда в курсе новинок и специальных предложения на сайте компании Мастер Кит.

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все

Сохранить и прочитать потом —

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.

Как выбрать усилитель?

Если позволяет место, для подключения акустических систем вы можете смело выбрать усилитель АВ-класса. Схемотехника таких усилителей за долгие годы хорошо отработана, они имеют высокое качество звучания и, в случае неисправности, их можно легко отремонтировать в ближайшей мастерской.

Когда место для инсталляции усилителя сильно ограничено, обратите внимание на широкополосные модели D-класса. При той же мощности, что и у моделей АВ-класса они намного компактнее, в большинстве своём меньше греются, и их можно установить даже скрытно, с минимальными вмешательствами в штатные элементы автомобиля.

Для подключения сабвуферов больше преимуществ имеют усилители D-класса. Бас – это самый «энергозатратный» частотный диапазон, а потому КПД усилителя может иметь решающее значение. А этом у D-класса конкурентов нет.
Вернуться к списку

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.

Как работают усилители АВ-класса?

Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.

Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.

По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.

На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую. Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.

Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).

В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.

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.

Какой усилитель лучше – D-класса или АВ-класса?

Долгое время считалось, что для подключения акустических систем нужно выбирать усилители АВ-класса, потому что им не нужны большие мощности, и у них меньше искажений. Это было связано с тем, что в усилителях D-класса входной сигнал обычно преобразовывался в импульсный с невысокой частотой, и в итоге они хорошо работали лишь в сабвуферном диапазоне.

Сегодня технологии шагнули далеко вперёд, появились мощные быстродействующие транзисторы, которые умеют переключаться (открываться и закрываться) практически мгновенно. На рынке появилось немало широкополосных усилителей D-класса. Широкополосные – это такие усилители D-класса, которые рассчитаны на использование не только с сабвуферами, но и с акустическими системами. Для тех случаев, когда большая мощность не нужна, такие усилители можно сделать чрезвычайно компактными.

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.

Как работают усилители?

Для начала нужно понимать, как вообще работает любой усилитель. Возможно, вы удивитесь, но на самом деле он… ничего не усиливает. Принцип его работы больше похож на работу обычного водопроводного крана – вы крутите ручку, и вода льётся то сильнее, то слабее, то не льётся совсем.

В усилителях всё происходит точно так же – ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Роль «крана» выполняют выходные транзисторы, а управляет их открытием и закрытием сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства. И вот то, каким образом работает этот «кран» (выходные транзисторы), как раз и определяет класс усилителя.

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.

Как работают усилители D-класса

Основной принцип работы D-класса абсолютно тот же, что и у АВ-класса – у таких усилителей тоже есть выходные транзисторы, которые умеют открываться или закрываться, регулируя ток через подключенные к ним динамики. Только управляет их открытием сигнал, который своей формой очень далёк от входного.

Сигнал, который пришёл на усилитель от головного устройства, непрерывен, но его амплитуда постоянно меняется. На входе усилителя D-класса он преобразуется в импульсный – амплитуда постоянная, но зато сигнал прерывается. Длительности импульсов и пауз между ними меняются пропорционально входному сигналу. Например, выше амплитуда входного сигнала – импульсы длиннее, ниже амплитуда – импульсы короче.

Именно такой сигнал и подаётся на выходные транзисторы. И очевидно, что в этом случае они будут работать совершенно по-другому – либо полностью открываться, либо полностью закрываться, без промежуточных вариантов. Это означает, что потери на ненужный нагрев будут минимальными, а значит, КПД усилителя D-класса может вплотную приближаться к идеалу в 100%.

Разумеется, подавать такой прерывающийся сигнал сразу же на акустические системы ещё рано, перед этим его нужно «вернуть» в обычную форму. Это делается с помощью специальных элементов – выходного дросселя (катушки индуктивности) и конденсатора. После них на выходе и получается усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной. Вот он и идёт на динамики.

Главное достоинство усилителей D-класса – высокий КПД, а значит, и более экономное расходование энергии блока питания. При прочих равных усилители D-класса мощнее и компактнее, чем традиционные усилители.

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.

Преимущества усилителя класса D

При разработке OEM-аудиосистемы для использования в другом продукте особое внимание следует уделить стоимости каждого компонента. Вы можете сэкономить немного денег, выбрав правильный усилитель. Благодаря достижениям в области микропроцессоров усилители сегодня могут делать удивительные вещи.

Объяснение усилителей

На самом базовом уровне усилитель необходим для усиления низковольтного сигнала, исходящего от вашего аудиоисточника, чтобы он был достаточно сильным, чтобы приводить в действие механические движения динамика для создания звуковых волн. Первоначально, когда они были впервые изобретены, усилители использовали топологию схемы класса А, в которой использовались электронные лампы (для управления подачей мощности в соответствии с входным сигналом), которые имели постоянный источник питания и выходные трансформаторы, подключенные непосредственно к динамикам. Это делало усилители довольно большими и тяжелыми, восприимчивыми к шуму и потенциально ненадежными. Кроме того, эти старые усилители были ужасно неэффективны, теряя до 75% потребляемой мощности в виде тепла. Это требовало больших радиаторов для предотвращения теплового разгона и могло повредить динамики, если за ними не следить тщательно.

Подпись: прототип аудиоусилителя Ли Де Фореста, около 1914 г.

Подпись: схема аудиоусилителя Фрица Левенштейна, около 1911 г.

С появлением транзистора в 1947 году электронные лампы были быстро заменены во многих усилителях с полевыми транзисторами металл-оксид-полупроводник (MOSFET) к 1970-м годам. Это позволяло использовать усилители гораздо меньшего размера, но для высокой выходной мощности требовалось много полевых МОП-транзисторов, а также большой встроенный трансформатор и радиаторы для охлаждения полевых МОП-транзисторов. Схемы усилителей класса AB стали более популярными и повысили эффективность примерно до 70%, сохранив при этом большую часть качества звука менее эффективной схемы класса A.

Усилители класса D работают по-другому. Они работают в цифровом формате, очень быстро включая и выключая выход. На самом деле настолько быстро, что импульсы, которые они излучают, имитируют аналоговый сигнал в громкоговорителе достаточно хорошо, чтобы слушатель не мог отличить. Они прошли долгий путь от даты их изобретения в 1950-х годах, когда выходная мощность первого усилителя класса D составляла всего 2,5 Вт. В 1978 году Sony представила усилитель класса D с импульсным источником питания (TA-N88) мощностью 320 Вт.

Теперь они имеют КПД более 90%, поставляются в виде интегральной схемы и могут сэкономить вам деньги (и/или инженерные работы) при выяснении того, как питать аудиосистему. Усилители класса D, как правило, меньше (MISCO 38036 имеет площадь менее 2¾ дюйма), легче, выделяют меньше тепла (часто не нуждаются в радиаторах) и, как правило, служат дольше, чем усилители других типов. Импульсные блоки питания, используемые с усилителями класса D, также уменьшились в размерах до такой степени, что 100-ваттный блок питания меньше, чем средний сотовый телефон.

Подпись: ИС усилителя TAS5731M класса D от Texas Instruments.

Воспользуйтесь преимуществами экономии места и веса, а также поднимите свою аудиосистему на новый уровень; выберите усилитель класса D с возможностями DSP, например MA-2105P. Цифровая обработка сигналов (DSP) похожа на добавление современного микшерного пульта в вашу аудиосистему. Это позволяет вам манипулировать исходным сигналом разными способами для достижения ваших аудио целей.

 

Bi-Amping 

Многоканальный усилитель класса D (например, MA-4101) может сэкономить ваши деньги на аудиосистеме за счет процесса, называемого двухканальным усилением. Здесь вы отправляете один канал от усилителя на твитер (звучит более высокая частота), а другой канал — на вуфер (звучит более низкая частота). Конечно, вы всегда хотите, чтобы определенные частоты отправлялись на динамик, который был разработан для их наилучшей обработки.

Исторически это делалось с помощью пассивного кроссовера, в котором использовались резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности или их комбинация. Преимущество пассивного кроссовера в том, что он не требует питания — он просто происходит автоматически внутри системы. Недостатком этих компонентов является то, что они могут значительно увеличить стоимость создания аудиосистемы.

Если ваш усилитель оснащен DSP, вам не нужно использовать пассивный кроссовер. DSP можно запрограммировать на отправку нужных частот на соответствующий динамик. Это устраняет еще одну проблему с пассивными кроссоверами. Они придают сигналу фазовые изменения, которые могут искажать стереообраз (способность динамиков воссоздавать расположение инструментов и певцов в записи). DSP также можно использовать для фильтрации, частотной коррекции и управления динамическим диапазоном.

Правильное количество энергии

Как производитель аудиосистемы, MISCO работает с вами, чтобы определить мощность, необходимую для ваших динамиков. Оттуда мы можем работать в обратном направлении и вычислить минимальный источник питания, требуемый от усилителей для достижения желаемого уровня производительности.

Этот процесс является совместным и требует сочетания технических ноу-хау и творчества. Если у вас есть вопросы по питанию аудиосистемы, мы будем рады вам помочь. Пожалуйста, обращайтесь к нам за ответами.

Мощный усилитель класса D (Gear & Review)

19.12.2022

Автор: Карстен Хайн

Категория: Механизм и обзор

Тег(и): Усилители мощности

«Вы когда-нибудь тестировали цифровой усилитель в своем блоге?» — спросил мой любимый аудиотехник, когда я выходил из его мастерской. Я остановился у двери и покачал головой, широко ухмыляясь. Я знал, что Винфрид был опытным разработчиком HiFi-оборудования, начиная от сетевых фильтров, CD-плееров, сетевых плееров, предусилителей и усилителей мощности и заканчивая громкоговорителями. Его более поздняя экипировка обычно была упакована в неприметные черные коробки визуального преуменьшения. И я знал, что его конструкции цифровых усилителей уже были опробованы и испытаны в его собственной лаборатории и в сочетании с различным оборудованием Hi-Fi его клиентов. Этот конкретный усилитель класса D имел более высокую, чем обычно, выходную мощность 350 Вт на канал при нагрузке 4 Ом.

«Это сработает на Мартинах Логанах?» был мой ответный вопрос. Мы оба знали, что электростатические громкоговорители Martin Logan производят некоторые разрушительные провалы сопротивления, особенно в высокочастотном спектре. Винфрид был уверен, что низкое сопротивление не должно быть проблемой для его усилителя класса D, и заверил меня, что в нем есть встроенная защита от перенапряжения цепей. Я сказал, что буду в восторге и для меня большая честь испытать его устройство в моей собственной тестовой среде. Он вручил мне усилитель, и, держа маленькую черную коробочку всего в одной руке, я еще раз напомнил о самых очевидных достоинствах такой конструкции: весе и размерах. При весе менее 2,5 кг он был в пять-десять раз легче, чем обычный усилитель мощности мощностью 350 Вт, даже с учетом некоторых облегченных акустических систем. Я имел в виду такую ​​классику, как усилитель мощности Dynacord PAA 880 весом 23 килограмма.

Поскольку я уже испытал на себе преимущество пулевидной вилки Eichmann, заключающееся в равном соотношении масс, а также был свидетелем преимуществ разъемов с твердым сердечником в устранении вихревых токов, я был заинтригован, узнав о розетках WBT 0210 CU Nextgen Plasma-protect. Какой приятный сюрприз, что Winfried выбрала эти штекеры для линейных входов усилителя класса D. Обнадеживающее первое впечатление сохранилось, когда я впервые включил усилитель.

Встроенный выключатель питания на разъеме IPC кажется более гладким и прочным, чем многие похожие, которые я видел раньше. Маленькая черная коробочка выглядела гладкой и утонченной на нашей бамбуковой базе усилителя, однако я мог уловить легкий звон от импульсного источника питания, который исходил от самого корпуса усилителя. Не секрет, что я не был поклонником передовых расходных материалов и пытался устранить их в нашем доме, где только мог. С другой стороны, я был готов непредвзято относиться к достижениям технологий.

Во время фазы прогрева нашего оборудования защитные цепи усилителя класса D обнаружили небольшую утечку постоянного тока из нашего лампового предусилителя и неоднократно отключали выходы усилителя. Этот эффект исчез, как только Dynaco PAS-4 перешла на полную рабочую мощность. Поскольку наш старый динозавр Hafler XL-280 не имел такой сложной схемы, он не выявил небольшой, но немаловажной ошибки со стороны PAS-4. Dynaco потребовалось около 20 секунд, чтобы стабилизироваться, и неприятный шум при переключении прекратился.

Успокоенный тем, что все в порядке, я занял позицию для прослушивания и заметил, что усилитель класса D сам по себе тихий, за исключением небольшого количества знакомого лампового шипения, исходящего от предусилителя Dynaco.

При прослушивании альбома Робби Уильямса «The Christmas Present» на нашем проигрывателе компакт-дисков Rega Planet я заметил, что усилитель класса D играет громче, чем наш Hafler. Для американских усилителей было вполне характерно иметь более низкую входную чувствительность, чем их европейские аналоги. Я также мог слышать, что усилитель Winfried с меньшим усилием толкал электростатические панели Martin Logans в высокочастотный диапазон. В результате звук был точным и гладким с великолепной естественной динамикой. Высокие частоты звучали чисто, и я чувствовал, что представленная тональность была естественной. Я был доволен количеством басового удара и контроля, и было очевидно, что этот усилитель работает достаточно стабильно, чтобы справляться со сложными нагрузками.

Наши гибридные динамики Martin Logan, безусловно, относятся к категории сложных нагрузок из-за комбинации панелей (электронно похожих на конденсатор) и динамического басового драйвера. В этом сценарии усилители с меньшими возможностями, чем Winfried Class-D, имели тенденцию с трудом сохранять контроль над низкочастотными динамиками.

Сочетание высокого коэффициента демпфирования 4000:1 усилителя и низкого внутреннего сопротивления менее четырех мОм фактически сделало его отличным компаньоном для потребностей нашего Мартина Логана. Я заметил, что звуковые события имеют свои собственные пространства и размеры, без какого-либо видимого влияния друг на друга. Это был отличный усилитель для аналитического прослушивания. Хафлер, с другой стороны, казалось, рисовал одной кистью. Это создавало большую связность в музыке, но не могло сравниться с превосходным контролем басов Class-D, расширенными высокими нотами и легкостью. В то время как дизайн класса D был способен воспроизводить рычащие басы, которые были глубокими и расширенными, музыка временами могла казаться странно разъединенной. При воспроизведении музыки с цифровых источников я иногда ощущал нехватку эмоций, некую пустоту, похожую на эффект, возможно знакомый по светодиодной початке. Хотя свет может быть ярким и иметь заданную цветовую температуру, также возникает ощущение пустоты по сравнению с галогенным источником света. И пока это просто аналогия, эмоциональное воздействие на зрителя было таким же.

Воспроизведение музыки с аналогового источника, однако, было совершенно другой историей. Здесь дополнительная детальность и драйв усилителя сработали очень хорошо. Музыка звучала богаче, полнее и приятнее. Фоно выиграл от увеличения гибкости, связанной с дизайном класса D, и, в отличие от цифровых источников, фонокорректор не производил никакого ощущения пустоты. Вместо этого он звучал ритмично, гладко и полно.

В заключение я могу сообщить, что компания Winfried создала неприметный на вид усилитель класса D, который обладал многими преимуществами класса D, но не мог устранить все возможные конструктивные недостатки, связанные с классом D.