Типы усилителей: полное руководство по классам и видам усилителей

Что такое усилитель. Какие бывают типы и классы усилителей. Как выбрать подходящий усилитель для своей аудиосистемы. Плюсы и минусы разных классов усилителей.

Что такое усилитель и для чего он нужен

Усилитель — это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности электрического сигнала. В аудиотехнике усилители применяются для усиления слабого звукового сигнала до уровня, достаточного для работы акустических систем.

Основные задачи усилителя:

• Увеличение амплитуды входного сигнала
• Усиление мощности сигнала
• Согласование входных и выходных сопротивлений
• Минимизация искажений при усилении

Без усилителя невозможно получить качественный громкий звук из большинства источников сигнала, будь то смартфон, компьютер или проигрыватель виниловых пластинок. Поэтому усилитель является важнейшим компонентом любой аудиосистемы.

Основные типы усилителей по назначению

В зависимости от назначения выделяют следующие основные типы усилителей:

Предварительный усилитель (предусилитель)

Предназначен для усиления слабых сигналов от источников звука до уровня, необходимого для работы усилителя мощности. Также выполняет функции коммутации и регулировки громкости и тембра.

Усилитель мощности

Усиливает сигнал по мощности до уровня, достаточного для работы акустических систем. Обычно имеет минимум органов управления.

Интегральный (интегрированный) усилитель

Объединяет в одном корпусе предварительный усилитель и усилитель мощности. Наиболее распространенный тип усилителей для домашнего использования.

Многоканальный усилитель

Имеет несколько независимых каналов усиления для работы в системах домашнего кинотеатра. Обычно 5 или 7 каналов.

Ресивер

Многофункциональное устройство, сочетающее в себе многоканальный усилитель, тюнер, декодер форматов объемного звука и другие компоненты.

Классификация усилителей по схемотехнике

По принципу работы выходных каскадов усилители делятся на следующие основные классы:

Усилитель класса A

Усилители класса A обеспечивают наилучшее качество звучания, но имеют низкий КПД (около 25-30%). Выходные транзисторы работают в активном режиме все время, даже при отсутствии сигнала.

Усилитель класса B

Выходные транзисторы работают поочередно, каждый усиливая свою полуволну сигнала. КПД выше, чем у класса A (до 50-60%), но возникают искажения при переходе через ноль.

Усилитель класса AB

Компромиссное решение между классами A и B. Выходные транзисторы работают в режиме небольшого смещения, что позволяет избежать искажений класса B при сохранении довольно высокого КПД (до 50-70%).

Усилитель класса D

Импульсный усилитель с широтно-импульсной модуляцией. Обеспечивает очень высокий КПД (до 90% и выше), но уступает линейным усилителям по качеству звучания.

Плюсы и минусы разных классов усилителей

Каждый класс усилителей имеет свои преимущества и недостатки:

Усилители класса A

Плюсы:

• Наилучшее качество звучания
• Минимальные искажения
• Широкая полоса пропускания

Минусы:

• Низкий КПД (25-30%)
• Сильный нагрев
• Большие габариты и вес
• Высокая стоимость

Усилители класса B

Плюсы:

• Более высокий КПД, чем у класса A (до 50-60%)
• Меньший нагрев
• Умеренная стоимость

Минусы:

• Искажения при переходе через ноль
• Худшее качество звучания по сравнению с классом A

Усилители класса AB

Плюсы:

• Хороший компромисс между качеством и эффективностью
• КПД до 50-70%
• Меньшие искажения, чем у класса B

Минусы:

• Уступают по качеству звучания классу A
• Сложнее в настройке

Усилители класса D

Плюсы:

• Очень высокий КПД (до 90% и выше)
• Компактные размеры
• Низкое тепловыделение

Минусы:

• Уступают по качеству звучания линейным усилителям
• Проблемы с электромагнитной совместимостью
• Необходимость выходных фильтров

Как выбрать усилитель

При выборе усилителя следует учитывать несколько основных факторов:

Мощность

Мощность усилителя должна соответствовать мощности акустических систем. Оптимально, если мощность усилителя на 20-30% превышает номинальную мощность колонок.

Чувствительность и входное сопротивление

Эти параметры должны быть согласованы с характеристиками источников сигнала для корректной работы.

Искажения

Коэффициент нелинейных искажений (THD) показывает степень искажения сигнала. Чем ниже значение THD, тем лучше.

Диапазон воспроизводимых частот

Для качественного воспроизведения звука усилитель должен работать во всем слышимом диапазоне частот (20 Гц — 20 кГц).

Отношение сигнал/шум

Чем выше этот показатель, тем меньше уровень собственных шумов усилителя.

Наличие необходимых входов/выходов

Усилитель должен иметь все необходимые разъемы для подключения имеющихся источников сигнала и акустических систем.

Выбор усилителя в зависимости от типа акустики

Тип акустических систем во многом определяет выбор усилителя:

Для пассивной акустики

Требуется отдельный усилитель мощности. Мощность усилителя должна соответствовать мощности колонок.

Для активной акустики

Усилитель мощности уже встроен в колонки. Необходим только источник линейного сигнала (предусилитель).

Для наушников

Нужен специальный усилитель для наушников с низким выходным сопротивлением.

Для сабвуфера

Часто используются отдельные усилители класса D, оптимизированные для работы на низких частотах.

Интегральные усилители vs раздельные компоненты

У интегральных усилителей и раздельных компонентов есть свои преимущества и недостатки:

Интегральный усилитель

Преимущества:

• Компактность
• Простота подключения
• Оптимальное согласование компонентов
• Более низкая цена

Недостатки:

• Меньше возможностей для апгрейда
• Компромиссы при выборе компонентов

Раздельные компоненты

Преимущества:

• Возможность выбора оптимальных компонентов
• Гибкость в апгрейде системы
• Потенциально более высокое качество звучания

Недостатки:

• Сложность подбора совместимых компонентов
• Больше соединений и кабелей
• Занимают больше места
• Более высокая стоимость

Ламповые vs транзисторные усилители

Ламповые и транзисторные усилители имеют свои особенности звучания:

Ламповые усилители

Особенности:

• «Теплое» и мягкое звучание
• Хорошая передача микродинамики
• Приятные четные гармоники при искажениях
• Ограниченная мощность
• Требуют регулярной замены ламп

Транзисторные усилители

Особенности:

• Более нейтральное и точное звучание
• Высокая мощность
• Широкий частотный диапазон
• Компактные размеры
• Не требуют специального обслуживания

Выбор между ламповым и транзисторным усилителем во многом зависит от личных предпочтений и характера музыки.

Популярные производители усилителей

На рынке представлено множество производителей усилителей. Вот некоторые из наиболее известных брендов:

• NAD
• Marantz
• Cambridge Audio
• Denon
• Yamaha
• Onkyo
• Rotel
• McIntosh
• Accuphase
• Musical Fidelity

При выборе усилителя рекомендуется ориентироваться не только на бренд, но и на конкретные характеристики и отзывы пользователей.

Заключение

Выбор подходящего усилителя — важный этап в построении качественной аудиосистемы. Необходимо учитывать множество факторов, включая тип акустики, особенности источников сигнала, предпочтения по звучанию и бюджет. Правильно подобранный усилитель позволит раскрыть потенциал акустических систем и получить максимальное удовольствие от прослушивания музыки.

Усилитель — Описание, предназначение, виды усилителей.

Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса,  можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +U_пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U_вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U_вых . Питается наш четырехполюсник через +U_пит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал U_вх, а к выходу цепляется нагрузка R_{н .}

Обобщенная схема усилителя

Она  выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада  через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала  с ЭДС  E_И   и внутренним сопротивлением R_И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R_вх . Сила тока I_вх в цепи  E_И —>R_И—>R_вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада R_вх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) E_вых и выходным сопротивлением R_вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R_н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E_вых —> R_вых —> R_н  будет зависеть от сопротивления нагрузки R_н .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

K_U — это коэффициент усиления по напряжению

U_вых — напряжение на выходе усилителя, В

U_вх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление R_вых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление R_вых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что R_вх намного больше, чем R_вых т. е.  R_вх >>R_и  и R_н намного больше, чем R_вых    (R_н >>R_вых ). Чем больше номинал R_н , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение U_вых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи E_вых —> R_вых —> R_н , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых , исходя из формулы ЭДС: E_вых =I_выхR_вых +I_выхR_н . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где K_I   — коэффициент усиления по току

I_вых  — сила тока в цепи нагрузки, А

I_вх  — сила тока во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в K_I раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а  значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение U_вых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: R_н =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент K_I =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки E_вых —>R_вых —> R_н будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим,  у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=U_вых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А  усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе U_вых на 1=U_вых /5. U_вых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление R_вых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: R_вх << R_и и R_н << R_вых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ  мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P — мощность, Вт

I — сила тока, А

U — напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

K_P — коэффициент усиления по мощности

P_вых  — мощность на выходе усилителя, Вт

P_вх  — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: R_вх ≈ R_и и R_н ≈ R_{вых .}

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

где

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_Вых  — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

где

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_вых  — напряжение на нагрузке, В

cosφ  — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения

Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

В УН K_U > 1, K_I = 1;       в УТ K_I > 1, K_U = 1;          в УМ K_U > 1 и K_I > 1.

 

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Усилители высокой частоты

Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

Широкополосные усилители

Они позволяют  усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть  резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Как выбрать усилитель? Виды и нюансы выбора

 Присматривая в магазинах акустику, не стоит забывать о такой важной вещи, как усилитель. 

Покупая качественную акустическую систему, логично рассчитывать на то, что источников звука будет несколько. Захотите ли вы слушать музыку через плеер, смотреть фильм или окунуться в очередной игровой мир на компьютере, неважно. Главное чтобы звук при этом был на высоте. Проблема в том, что разные устройства имеют различный по мощности выходной аудиосигнал. Кроме того частотная палитра также может различаться, а это значит, что ваши прекрасные колонки могут себя просто не проявить на каком-то устройстве и выдать звук немногим лучше интегрированного. Что бы всё привести к единой мощности и качеству, как раз и применяют усилители, которые подключаются к источникам звука посредством различных разъёмов.

Виды усилителей

В основном различают предварительный усилитель, усилитель мощности и интегрированный (комбинированный).

Предварительный усилитель Cambridge Audio Azur 851E

 

Предварительный усилитель. Его задача — собрать все источники звука воедино и передать сигнал на усилитель мощности. Некоторые усилители такого типа позволяют одновременно с прослушиванием вести запись звука.

Задняя панель предварительного усилителя усеяна всевозможными разъёмами. Иногда среди них появляется XLR порт, который позволяет подключать оборудование, находящееся на большом удалении от усилителя. Эта функция используется профессионалами при подсоединении сценического оборудования и в быту явно лишняя. Тем не менее, она сильно увеличивает стоимость усилителя, а потому будьте внимательны: вы же не хотите платить за то, что не будете использовать.

Усилитель Mcintosh MC152

 

Усилитель мощности. С виду его функционал довольно прост. На передней панели регулятор громкости, в то время как на задней всего один стерео вход и выход на колонки. Ничего сложного, но именно от этого усилителя зависит качество исходного сигнала. Внутри устройства расположены мощные трансформаторы и ёмкостные конденсаторы, которые увеличивают силу тока. Такой усилитель всегда много весит и дорого стоит.

Усилитель Advance Acoustic X-i105 Black

 

Интегрированный усилитель. Мысль соединить два вида усилителей в один просто не могла не прийти разработчикам в голову. В итоге такое устройство способно выполнять функции предварительного и мощностного. К сожалению, всё универсальное, хуже однозадачного. Если комбинированный усилитель стоит дёшево, то задумайтесь о его качестве.

Некоторые разработчики добавляют к устройству радиотюнер, караоке и подключают его к интернету. Далее всё это называют ресивером и продают счастливым покупателям. В дальнейшем счастливыми их них остаются лишь те, кто не слишком требователен к звуку и не ставит перед своей акустической системой серьёзных задач. Впрочем, наличие ресивера всё равно лучше, чем его отсутствие, а это значит, что если вы не искушённых аудиофил, вас может удовлетворить  такое оборудование.

И еще!

По возможности стоит выбирать технику одного производителя, но если это проблемно, то хотя бы одного класса.

Усилитель Synthesis R510AC Black

 

Отдельные любители музыки отдают предпочтение ламповым усилителям, ставя их на ступень выше, чем  полупроводниковые. Качество звука подобной техники лучше в некоторых моментах, однако, далеко не каждый сможет его выявить. С другой стороны подобные усилители довольно капризны, так что удовольствие от пользования не столь яркое, как хотелось бы.

Следующим моментом при выборе усилителя является его сопротивление и мощность выдаваемого сигнала. Сопротивление усилителя должно совпадать с сопротивлением акустической системы или быть ниже, но ни в коем разе не превышать его. Мощность выходящего звука пусть будет немного меньше максимальных возможностей ваших колонок. Это продлит их ресурс и сэкономит ваши нервы.

Пользуясь этими советами вы наконец-то сможете порадовать себя хорошей техникой и качественным звуком. Удачи!

Приглашаем Вас на прослушивание усилителей в наш шоу-рум!

Полное руководство по классам усилителей

Выбор лучшего усилителя — непростая задача. Существует так много типов усилителей, что кажется невозможным найти «тот самый», который даст вам именно то, что вам нужно. Цель этой статьи — разбить наиболее популярные типы усилителей и их различия, чтобы облегчить ваше решение.

Какой тип усилителя мне нужен? Что делает эта кнопка? Как подключить динамики? Совместимы ли эти динамики с моим ресивером? Это вопросы, которые мы все задавали себе перед первой настройкой нашего нового аудиооборудования.

Неудивительно, что они часто встречают пустые взгляды или пожимают плечами, когда спрашивают продавцов, специализирующихся на системах домашнего кинотеатра; в конце концов, это может быть пугающе, если вы не знакомы с основами аудиооборудования. Поэтому в этом посте я сосредоточусь на основных типах усилителей.

Как классифицируются усилители?

Усилители мощности классифицируются как классы A, B, AB и C для линейных конструкций и классы D и E для импульсных конструкций.

Усилитель класса А

Усилители класса A имеют очень высокую «эффективность», определяемую как выходная мощность/мощность на входе или (Pout-Pin), выраженная в процентах от 50% или более. Но они расточительны в несколько раз. Их фактическая потребность в электроэнергии рассеивается, даже если их мощность равна нулю.

Усилитель класса B

Усилители класса B имеют низкий КПД, определяемый как выходная мощность/мощность на входе или (Pout-Pin), выраженный в процентах, равный 50%. Он достигает пика при 100% модуляции. К сожалению, это также означает, что электрическая энергия рассеивается, когда фактический выходной сигнал нуля возрастает до своего максимального значения при 100% амплитуды входного сигнала.

Усилитель класса AB

Чтобы преодолеть ограничения усилителей классов A и B, усилитель, который находится между этими двумя классами, был определен путем проведения линии между ними.

Усилитель класса AB представляет собой электронную схему, которая может управлять громкоговорителем. Усилители класса AB более эффективны, чем усилители класса B, поскольку они обеспечивают питание нагрузки в гораздо более широком диапазоне входных напряжений сигнала.

Термин «Класс AB» является ретронимом, поскольку исторически многие конструкции класса B были преобразованы в усилители класса AB путем добавления отрицательной обратной связи. На заре радио этого не делали, потому что это было слишком дорого и ненужно. Поэтому становится необходимым улучшить эти конструкции позже, чтобы довести их эффективность до приемлемого уровня.

Усилитель класса C

Усилители класса C имеют очень низкую «эффективность», определяемую как выходная мощность/мощность на входе или (Pout-Pin), выраженная в процентах от 30% или менее. Поэтому они используются только для радиочастотных приложений на частотах от 500 МГц до 1 ГГц, где их выходная мощность минимальна по сравнению с их входными требованиями.

Усилитель класса D

Этот тип усилителя использует технологию ШИМ, которая генерирует большое количество гармоник наряду с основной частотой, что позволяет использовать катушки индуктивности и конденсаторы значительно меньшего размера, поскольку на более высоких частотах они становятся меньше по размеру и дешево тоже.

Другие преимущества по сравнению с аналоговыми конструкциями заключаются в том, что они обеспечивают гораздо более высокую эффективность (90-95%) и лучшее отношение сигнал/шум (SNR) 100 дБ, чего более чем достаточно для любого аудиоприложения.

Усилитель класса E

Усилители класса E представляют собой особый класс импульсных источников питания, которые работают так же, как и класс D. Тем не менее, их выходные каскады используют разные методы для достижения эффективности более 90%.

Это также позволяет им обеспечивать> 60 В при> 1 А, что очень полезно для автомобильных аудиоприложений. Они могут использоваться как с обычным трансформаторным источником питания, так и с импульсными источниками питания (SMPS).

Каковы плюсы и минусы каждого типа усилителя?

Двумя наиболее важными факторами при выборе конструкции усилителя являются его «эффективность» и «стоимость». Эффективность усилителя — это процент электрической мощности, которую он выдает на свою нагрузку (динамик), по сравнению с мощностью, которую он потребляет от источника питания (настенной розетки). КПД усилителя обычно выражается в процентах (%).

Плюсы и минусы усилителя класса А

Он имеет очень высокий КПД, как упоминалось ранее, на уровне 50% и более. Тем не менее, он тратит энергию даже при отсутствии выходного сигнала, потому что он рассеивает гораздо больше энергии, чем требуется для фактического выходного сигнала. Кроме того, усилители класса А дороги по стоимости и размерам из-за больших радиаторов, необходимых для их рассеивания.

Плюсы и минусы усилителя класса B

Усилители класса B имеют низкую «эффективность», как упоминалось ранее, на уровне 50%, и достигает пика при 100%. Это делает их дешевыми и маленькими по сравнению с усилителями класса А, но они страдают от проблем с нагревом с обеих сторон (даже при отсутствии выхода).

Плюсы и минусы усилителей класса AB

Усилители класса AB имеют умеренный «КПД» на уровне 75%, что лучше, чем у класса B, но не так хорошо, как у класса A. Они не слишком малы и не слишком велики, но имеют некоторые из недостатки каждого типа, что делает их дорогими с точки зрения стоимости.

Плюсы и минусы усилителей класса C

Усилители класса C имеют очень низкий КПД, как упоминалось ранее, 30% или меньше. Это означает, что они будут эффективно работать только при преобразовании переменного тока в переменный без абсолютного падения напряжения, что нереально. Поэтому они используются только для радиочастотных приложений на частотах от 500 МГц до 1 ГГц, где их выходной сигнал минимален по сравнению с входными требованиями.

Плюсы и минусы усилителя класса D

Усилители класса D имеют очень высокую «эффективность», как упоминалось ранее в 90% или более, что делает их недорогими как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения размера, но они страдают от проблемы нагрева с одной стороны (блок питания) из-за плохой «отсутствия регулирования» или «пульсации» производительности.

Для них не требуются радиаторы, но они рассеивают энергию и компоненты источника питания в процессе переключения, что делает их дорогостоящими с точки зрения стоимости, поскольку даже при значительной экономии на радиаторах. В результате вам потребуются более дорогостоящие компоненты, чтобы компенсировать это, что в конечном итоге компенсирует экономию, достигнутую при использовании конструкции класса D.

Плюсы и минусы усилителя класса E

Усилители класса E очень похожи на усилители класса D с точки зрения «эффективности», как упоминалось ранее, >90%, но имеют некоторые отличия при сравнении.

Из названия видно, что он относится к категории переключателей, использующих метод ШИМ и генерирующих много гармоник и основную частоту, что позволяет использовать катушки индуктивности и конденсаторы значительно меньшего размера. Потому что на более высоких частотах они тоже становятся маленькими по размеру и дешевыми.

Другие преимущества по сравнению с аналоговыми конструкциями заключаются в том, что они обеспечивают гораздо более высокий КПД (90-95%) и лучшее отношение сигнал/шум (SNR) благодаря бесшумной работе. Усилители класса E в основном используются в бытовых устройствах, требующих большой мощности, но не для приложений с ограниченным пространством.

Класс T

Относительно новый метод достижения высокой эффективности с использованием технологии, называемой «Т-трансформаторы», был открыт компанией Tripath Technology и назван усилителями «класса Т». Он использует выходной каскад, который работает либо в линейном режиме, либо в режиме ШИМ с чрезвычайно низкими искажениями и включает в себя несимметричную первичную индуктивность L2, соединенную с первичной обмоткой с центральным отводом на стороне трансформатора.

Позволяет достичь высокого КПД (>90 %) без генерации каких-либо гармоник входного сигнала. Однако их главный недостаток заключается в том, что их нельзя использовать в приложениях, где коэффициент заполнения входного сигнала сильно варьируется, поскольку он работает в режиме ШИМ, а коэффициент заполнения может изменяться в зависимости от условий входного сигнала.

Класс D и класс E

Сравнение конструкции класса D/E с традиционными конструкциями усилителей показывает уникальные преимущества и недостатки, что делает их подходящими только для конкретных приложений. В то же время класс D используется чаще, чем класс E в основном из-за его экономичности.

С другой стороны, класс E также используется в настоящее время из соображений превосходного качества звука благодаря низким шумовым характеристикам на более высоких частотах, где компоненты меньше, что приводит к большей экономии средств.

Если вы посмотрите на многие современные аудиоусилители, то заметите, что они обычно имеют либо одну (класс D), либо две (класс D + E) схемы усилителя. Класс D в основном используется для динамиков, а класс E используется для гарнитур, которые очень чувствительны к шуму, поскольку пользователи слушают свою музыку и в шумной обстановке, поэтому необходимо реализовать эффективную конструкцию.

Класс A по сравнению с классом C

Выходные каскады класса A являются самыми неэффективными усилителями с точки зрения мощности, используемой для достижения определенного уровня производительности, и они имеют высокие уровни искажений. С другой стороны, класс C является наименее эффективной конструкцией, потому что их транзистор большую часть времени выключен, что приводит к рассеиванию меньшего количества тепла по сравнению с другими типами.

Класс B по сравнению с Классом D

Выходы класса B занимают второе место по общему гармоническому искажению. Тем не менее, они имеют гораздо более высокие потери в режиме холостого хода, чем класс A, потому что они содержат два транзистора, которые необходимо правильно смещать, что приводит к более сложной схеме и потере энергии (тепла).

Если напряжение база-эмиттер одного транзистора незначительно изменяется, это также влияет на напряжение база-эмиттер другого транзистора, поскольку оба транзистора работают в одной и той же точке схемы, что необходимо учитывать при проектировании каскадов класса B.

Класс D может управлять обоими транзисторами в разных точках всего цикла усиления (широтно-импульсная модуляция), что означает, что напряжение база-эмиттер каждого транзистора может изменяться независимо друг от друга, не влияя на его работу. Таким образом, эта конструкция имеет преимущество перед классом B, потому что она не страдает от потери тепла и не излучает тепло в окружающее пространство.

Класс B и класс C

Усилители классов B и C похожи, потому что они имеют только один транзистор, который включается и выключается, но класс B использует конденсатор для компенсации пульсаций, вызванных источником питания, в то время как класс C делает нет.

В результате класс B имеет меньше искажений, чем класс C, но является более расточительным с точки зрения энергии, поскольку ему необходимо отводить тепло от своих потерь, а также заниматься зарядкой/разрядкой конденсатора, что требует времени.

Класс A и класс B

Класс A является наиболее неэффективной конструкцией, поскольку в ней обычно используются два транзистора. Тем не менее, класс B в чем-то похож на класс D — и оба они имеют линейную конструкцию, что означает, что у них нет проблем с перекрестным искажением, в отличие от класса AB (или B).

Заключение

Усилители можно разделить на три категории: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. У них разные свойства усиления, которые полезны в одних приложениях, но не в других. Мы надеемся, что этот пост поможет вам понять и выбрать лучший усилитель для ваших нужд.

Классы усилителей

---

Усилители — класс эксплуатации

В большинстве мобильных усилителей для управления динамиками используются комплементарные пары транзисторов. В этой конфигурации есть транзистор (или группа транзисторов), который проводит ток от положительного напряжения источника питания для положительной половины звуковой волны, и другой транзистор (или группа транзисторов), который проводит ток от отрицательного напряжения питания для отрицательная половина сигнала. Есть некоторые усилители, которые используют один и тот же транзистор (транзисторы) для управления как положительной, так и отрицательной половинами сигнала.

ПРИМЕЧАНИЕ. Усилители
классов A, B и AB работают со своими выходными транзисторами в «линейном» режиме. Усилители класса «D» управляют своими выходами в режиме «переключателя».

---

Режимы работы усилителя

Линейный режим:
Представьте, что вы являетесь выходным устройством (устройствами) усилителя и должны выдерживать 10-фунтовый железный вес (нагрузка на динамик). Самый сложный метод (линейный режим) — держать вес прямо перед собой. Это очень грубо имитирует архитектуру линейного режима. Ваши мышцы начнут болеть через короткий промежуток времени. Думайте об этой боли как о рассеиваемой мощности на выходных транзисторах.

Режим переключения:
В этом примере вы можете поддерживать вес в одном из двух положений. В первом положении вы можете держать утюг прямо над головой, зафиксировав локти, так что вы не прилагаете особых усилий для поддержания веса. Во втором положении вы позволили бы весу свисать сбоку. Это также потребует очень мало усилий от ваших мышц. Если вы держите его прямо над головой половину времени, а другую половину времени рядом с собой, его положение будет «в среднем» таким же, как если бы вы держали его прямо перед собой, как в предыдущем примере. (линейный режим) пример. Это примерно имитирует режим переключения, который мы обсудим позже на этой странице. Вы можете видеть, что с этим методом (режим переключения) также будет небольшая боль (рассеивание мощности), связанная с поддержанием веса.

---

Классы усилителей

КЛАСС ‘A’:
Многие усилители класса A используют одни и те же транзисторы для воспроизведения верхней и нижней половин звуковой волны. В этой конфигурации через выходной транзистор (транзисторы) всегда протекает ток, даже если он не имеет звукового сигнала (выходные транзисторы никогда не «выключаются»). Ток, протекающий через него, является постоянным. Усилитель чистого класса «А» очень неэффективен и обычно сильно нагревается, даже когда нет аудиовыхода. Ток, протекающий через выходной транзистор(ы) (при отсутствии аудиосигнала), может быть таким же, как ток, который будет проходить через нагрузку динамика при ПОЛНОЙ выходной мощности аудио. Многие люди считают, что усилители класса «А» звучат лучше, чем другие конфигурации (и это могло быть правдой в какой-то момент времени), но хорошо спроектированный усилитель не будет иметь никакого «звука», и даже самый критичный «ухо» будет трудно отличить один дизайн от другого.

Примечание:
В некоторых усилителях класса A для выходного каскада используются дополнительные транзисторы (отдельные транзисторы для положительной и отрицательной половин сигнала).

КЛАСС «В»:
В усилителе класса «В» используются два транзистора (или две группы транзисторов). Один транзистор (или группа транзисторов) используется для воспроизведения верхней половины сигнала. Второй транзистор (или группа транзисторов) используется для воспроизведения нижней половины сигнала. В усилителе класса «В» через выходные транзисторы, как правило, не протекает ток холостого хода/смещения при отсутствии звука. В большинстве случаев, если усилитель не имеет потенциометров смещения и это не усилитель класса D, это усилитель класса «В».

КЛАСС «АВ»:
В усилителях класса «АВ» используются две группы транзисторов, как и в усилителях класса «В». Во многих отношениях усилители классов «AB» и «B» очень похожи. Как мы уже говорили ранее, усилитель класса «А» очень неэффективен. Это не хорошо для автомобильного усилителя звука. Некоторые люди считают, что усилитель класса «В» никогда не сможет воспроизвести чистый звук, потому что его выходные транзисторы не включены. Усилитель класса «АВ» обычно считается лучшим компромиссом. Усилитель класса «АВ» — это усилитель класса «В», который имеет небольшая величина тока смещения, протекающего через выходные транзисторы все время. Это устраняет практически все кроссоверные искажения, которые возможны с усилителями класса «В». Ток смещения течет, потому что выходные транзисторы всегда проводят ток (даже без звукового сигнала). Он отличается от усилителя чистого класса «А» величиной протекающего тока. Усилитель чистого класса «А», как правило, имеет огромное количество тока, протекающего через его выходные транзисторы при ОТСУТСТВИИ звукового сигнала. Усилитель чистого класса «В» не имеет тока, протекающего через его выходы без звукового сигнала. Усилитель класса «AB» намного эффективнее, чем усилитель класса «A», но без возможных искажений класса «B». МНОГИЕ автомобильные усилители, которые претендуют на звание усилителей класса «А», на самом деле являются усилителями класса «АВ» с большим смещением. Эти усилители относятся только к классу «А» при очень низком уровне выходной мощности. При более высоких уровнях мощности один из выходных транзисторов отключается, в то время как другой выходной транзистор работает. Я не хочу, чтобы вы думали, будто я говорю вам, что усилителей класса «А» не существует. Есть несколько высококачественных мобильных усилителей , которые представляют собой настоящий дизайн класса «А».

КЛАСС ‘D’:
Мы сказали, что усилители класса ‘А’ ОЧЕНЬ неэффективны. Усилители класса «AB» также неэффективны, но более эффективны, чем усилители класса «A». Мобильные усилители класса AB обычно имеют КПД 60% при нагрузке 4 Ом при максимальной мощности (непосредственно перед ограничением). Причина того, что эти конфигурации усилителя неэффективны, заключается в том, что существует разница потенциалов (напряжений) на выходных транзисторах и тока, протекающего через выходные транзисторы. Когда у вас есть напряжение на устройстве и ток, протекающий через устройство, будет рассеиваться мощность в виде тепла. Формула закона Ома P=I*E ясно выражает это. Энергия, необходимая для производства этого тепла, является потраченной впустую мощностью. Когда на устройстве (практически) нет падения напряжения (будь то большой кусок провода или транзистор), через устройство может протекать значительный ток без (практически) рассеиваемой мощности. Это означает, что тепло практически не выделяется (высокий КПД). Верно и обратное. Если у вас есть значительное количество НАПРЯЖЕНИЯ на устройстве (транзистор, провод …), но через устройство не протекает ток, опять же, не будет потерянной мощности. Если вы снова посмотрите на формулу P=I*E, то ясно увидите, что если вы уменьшите либо I, либо E (I — ток, E — напряжение) до значения, близкого к 0, рассеиваемая мощность будет очень низкой.

Хорошо, теперь к делу. Усилитель класса «D», который также может быть известен как импульсный усилитель или цифровой усилитель, использует выходные транзисторы, которые либо полностью включены, либо полностью выключены (они работают в режиме переключения). Это означает, что когда транзисторы находятся в состоянии проводимости (включены), напряжение на транзисторе практически отсутствует, а когда на транзисторе имеется значительное напряжение (выключено), ток через транзистор не течет. Это очень похоже на работу импульсного источника питания, который очень эффективен.

Переключение выходного транзистора:
На приведенной ниже диаграмме показаны 3 формы сигнала. Точка «X» — это точка, где транзистор будет полностью «включен», он будет проводить полное напряжение питания. Это то же самое, что взять кусок провода и подключить напряжение шины к выходу динамика усилителя. Точка «Y» показывает, что транзистор полностью «закрыт», а выходное напряжение фактически равно 0 вольт. Это то же самое, что полностью отключить динамик от усилителя. «Рабочий цикл» сигнала «А» составляет приблизительно 10%. Если вы усредните напряжение по времени, эффективное выходное напряжение будет составлять примерно 10% от напряжения источника питания. Форма сигнала «B» имеет рабочий цикл 50%. Форма волны «C» имеет 90% рабочий цикл.

---

Примечание:
На этой диаграмме (ниже) показан эффективный выходной сигнал постоянного тока соответствующей формы волны. Пожалуйста, имейте в виду, что эффективное выходное напряжение представлено таким, каким оно было бы при наличии «нагрузки» на выходных транзисторах усилителя. Если бы не было нагрузки, выходное напряжение оставалось бы на полном напряжении источника питания, потому что ничто не тянуло бы напряжение обратно к эталону (земле).

Среднее напряжение постоянного тока: 90 126 Вы должны заметить, что чем дольше выходные транзисторы находятся во включенном состоянии, тем выше эффективное выходное напряжение. С чисто математической точки зрения, выход верхней формы сигнала составляет 100 % выходного напряжения источника питания в течение 10 % времени и 0 % (0 вольт) в течение 90% времени. Если предположить, что напряжение на шине усилителя составляет 40 вольт, выходное напряжение составляет 40 вольт в течение 10 % времени и 0 вольт в течение 90 % времени. Это даст вам ((10*40)+(90*0))/100 или 4 вольта среднего выходного напряжения.

---

На приведенной ниже диаграмме форма волны «A» представляет собой широтно-импульсную модуляцию аудиосигнала. Обратите внимание, что он переключается между желтой эталонной линией (земля) и напряжением на шине (белая линия).

---

Форма сигнала «B» показывает, как напряжение увеличивается по мере увеличения ширины (времени включения) импульса. Эта часть сигнала реально не присутствует ни в одной точке усилителя. Он просто включен для ясности. Вы должны заметить, как действующее напряжение увеличивается по мере увеличения ширины импульса.

---

Форма сигнала «C» представляет собой часть выходного синусоидального сигнала после прохождения через фильтр нижних частот. Имейте в виду, что импульсы представляют собой прямоугольную волну высокой частоты, она может достигать 500 000 герц. Фильтр нижних частот, пропускающий сигнал частотой 20 000 герц (самая высокая частота, необходимая для воспроизведения звукового спектра), практически не повлияет на выходной звуковой сигнал и полностью отфильтрует импульсы переключения.

---

На приведенной ниже диаграмме обратите внимание на кружок на синусоиде в нижней части рисунка. Он показывает часть синусоиды, которая воспроизводится в примере.

---

Следующая анимация показывает, как ширина импульса сравнивается с синусоидальным эквивалентом и угловым эквивалентом (обсуждается на странице подключения усилителя). Следует отметить, что горизонтальная шкала прямоугольных импульсов неточна. В действительности может быть 1000-10000 импульсов для одного полного цикла синусоиды (в зависимости от частоты коммутации усилителя и частоты синусоиды). Вы можете видеть, что ширина импульса имеет большую длительность, чтобы создать часть сигнала с более высоким напряжением, и малую длительность, когда напряжение находится в самой низкой точке.

Темно-синие переключающие транзисторы показаны в полупрозрачном усилителе. Они производят прямоугольные импульсы. Затем импульсы отправляются на фильтр нижних частот, который позволяет только демодулированному звуковому сигналу проходить к разъемам динамика усилителя.

—— Критически важный ——

Adobe считает, что Flash-контент на веб-страницах слишком опасен для обычного пользователя Интернета. Практически для всех современных браузеров поддержка Flash была прекращена 1 января 2021 года. Это означает, что эти браузеры не будут отображать какие-либо интерактивные Flash-демонстрации/калькуляторы/графику на этом (или любом другом) сайте.

Самое простое (не самое лучшее) решение на данный момент — загрузить расширение Ruffle для вашего браузера. Он отобразит файлы Flash там, где они были ранее заблокированы. В некоторых браузерах вам придется нажать на большую кнопку «воспроизведение», чтобы сделать апплеты/графику Flash видимыми.