Усилитель класса т что это: Усилители мощности класса T – audioGO

Содержание

Усилители мощности класса T – audioGO

Ранее вы уже читали обзор интересного и достаточно качественного цифрового мини усилителя на чипе TA2020 .

НОВАЯ БУКВА В АЛФАВИТЕ

Борьба за экономичность усилителей и качество звучания до недавнего времени шла по двум направлениям. Аналоговые усилители обеспечивали улучшение качества звучания одновременно со снижением экономичности, цифровые – высокий КПД при невысоком качестве сигнала. Одновременно решить эти проблемы можно при совместном использовании цифровых и аналоговых методов обработки сигнала, и многолетние разработки увенчались успехом. Судя по материалам компании Tripath Technology, в созданных ей усилителях класса T высокая экономичность сочетается с аудиофильским качеством звучания.

Журнал уже писал об основных классах усилителей звуковых частот. Экономичным усилителям класса B свойственны значительные искажения сигнала малого уровня (“первый ватт”), аудиофильские усилители класса A невероятно прожорливы. Компромиссные решения класса AB не решают полностью ни одну из проблем.

Класс усилителяТеоретический КПДРеальный КПДМинимум искажений наступает:
A50%15…30%при малой мощности
ABзависит от режима40…50%при средней мощности
B78%50…60%при средней мощности

В лучшем случае только половина мощности, потребляемой усилителем, поступает в нагрузку. Остальная нагревает транзисторы выходного каскада. Для повышения экономичности аналоговых усилителей было предложено немало технических решений, которые можно свести в три группы:

  • параллельная работа на общую нагрузку маломощного каскада класса A и мощного класса B (класс Super A)
  • работа на общую нагрузку каскадов с различным напряжением питания (класс G)
  • управление напряжением питания выходного каскада (класс H).

Однако сложность конструкции не оправдывала экономии и усилители этих типов не получили распространения даже в домашней технике. В автомобильной же положение еще усугубляется:

  • низкое напряжение питания увеличивает потери в выходном каскаде встроенных усилителей головных аппаратов
  • блоки питания внешних усилителей влияют практически на все его характеристики, особенно при невысокой частоте преобразования (характерно для бюджетных моделей).

Усилители класса D – достижение конструкторской мысли “цифровой” эпохи. Их главная особенность – использование вместо усиления широтно-импульсной модуляции (ШИМ, она же PWM – pulse width modulation). В отличие от аналоговых усилителей, где выходной сигнал представляет собой “увеличенную” копию входного, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность (“ширина”) изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.

Основное достоинство усилителей этого класса – высокий кпд (в лучших образцах – до 95%). Это объясняется тем, что амплитуда импульсов практически равна напряжению питания и потери мощности на выходных транзисторах минимальны. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность – с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляются основной недостаток метода – зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при передаче сигналов малого уровня. Создание высококачественного широкополосного усилителя класса

D требует значительного усложнения конструкции. Поэтому в автомобильных аудиосистемах такие усилители пока применяют только в сабвуферах – в этом случае вполне допустим уровень нелинейных искажений до нескольких процентов.

В усилителях класса T качество звучания повышено на порядок при сохранении высокой экономичности. Это особенно актуально при создании усилителей мощности головных аппаратов. Tripath Technology выпускает интегральные усилители мощностью 10 и 20 Вт для портативной аудиотехники и головных аппаратов, а также микросхемы для создания усилителей более высокой мощности – до 300 Вт.

На графиках видно, что усилители класса T по своим показателям не уступают лучшим образцам аналоговых усилителей. Уровень искажений минимален, а в спектре выходного сигнала практически отсутствуют высшие гармоники. В результате воспроизведение музыкального сигнала становится более естественным.

Главная отличие новых усилителей и от аналоговых, и от традиционных цифровых – низкий уровень интермодуляционных искажений, меньший, чем коэффициент гармоник. Для усилителей класса AB, например, коэффициент интермодуляционных искажений значительно (иногда в несколько десятков раз) превосходит коэффициент гармоник; для усилителей класса A эти величины одного порядка. Интегральные усилители по этому показателю несколько уступают своим “большим” собратьям класса T, но традиционные микросхемы вообще не выдерживают конкуренции. Поэтому не вызывает удивления тот факт, что на последней выставке в Лас-Вегасе было представлено большое количество магнитол и усилителей нового типа.

В чем же секрет метода? В использовании патентованной технологии Digital Power Processing (TM). В материалах фирмы этой технологии посвящено немало текста, но полезной информации там, по понятным причинам, совсем немного. В тайне содержатся не только детали, но и сам принцип обработки сигнала. Если отбросить риторику, то все сводится к двум взаимосвязанным процессам –

“предсказанию”(Predictive processing) и “адаптивному преобразованию” (Adaptive Signal Conditioning Processing)

Попробуем разобраться, “как они тут крепют”.

Предсказаниями с незапамятных времен занимаются жрецы и гадалки, причем с переменным успехом. В нашем случае узнать уровень звукового сигнала можно двумя способами:

  • Вычисление. Отслеживается скорость изменения сигнала (производная) и на основании этого рассчитывается значение сигнала в следующий момент времени. Реализовать можно как в аналоговом варианте, так и в цифровом. В звуковом процессоре можно использовать математические модели, построенные на статистических данных.
  • Измерение. Сигнал поступает на обработку через цифровую линию задержки, что позволяет заранее измерить его амплитуду. Требуется высокоточный АЦП.

Судя по тому, что динамический диапазон даже интегральных усилителей превышает 100 дБ, амплитуда сигнала именно вычисляется. Для чего же нужно ее знать? В усилителях класса T нет фиксированной частоты дискретизации – она непрерывно изменяется в полосе до 1,5 мГц в соответствии с алгоритмом “адаптивного преобразования”. Исходными данными служит как раз амплитуда сигнала и скорость ее изменения. Повышение частоты дискретизации повышает качество звучания и позволяет упростить конструкцию выходного фильтра..

О сущности алгоритма обработки остается только гадать. Кроме перечисленного, адаптивное преобразование может включать в себя и внутреннюю отрицательную обратную связь – цифровую или аналоговую. Исходя из этого можно предположить, что в основу Digital Power Processing (TM) положена одна из разновидностей дельта – модуляции. От традиционной широтно-импульсной она отличается тем, что передается не абсолютная величина сигнала, а ее изменение относительно предыдущего состояния (отсюда и “дельта” в названии). Отрицательная обратная связь входит в него генетически, да и “предсказание” тоже имеет место быть…

Выпуском микросхем занимается непосредственно Tripath Technology. Производится значительное количество разнообразных компонентов, включая готовые усилительные модули. Все функции обработки сигнала сосредоточены в одной микросхеме с минимумом внешних компонентов. Усилители малой и средней мощности изготавливаются в интегральном исполнении. В усилителях большой мощности выходной каскад выполняется на дискретных компонентах. Выходной LC-фильтр во всех случаях монтируется отдельно.

И в качестве иллюстрации к сказанному – немного цифр:

Интегральные усилителиTA2020-020TA2022
Максимальная мощность на нагрузке 4 Ом при заданном Кг, %23 Вт (10%)100 Вт (1%)
Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=0,1%12 Вт90 Вт
Коэффициент гармоник0,03% (10 Вт)0,015% (70 Вт)
Интермодуляционные искажения0,18% (1 Вт)0,1% (25 Вт)
К.П.Д.81…88%87…92%
Напряжение питания+12…14,4 В+/-31 В
Драйверы (+ внешние транзисторы)TA0102ATA0103ATA0104A
Максимальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=1%170 Вт300 Вт750 Вт
Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=0,1%150 Вт250 Вт500 Вт
Интермодуляционные искажения0,03%0,03%0,02%
К.П.Д.88-90%90…92%85-90%
Напряжение питания+/-45 В+/-54 В+/-75 В

Автор: А.И.Шихатов 2002

Источник: “Мастер 12вольт” №33 (май-июнь 2001)

A, B, AB, C и другие

В данной статье мы подробно рассмотрим классификации усилителей: A, B, AB, C и от D до T. В конце статьи таблица классов усилителей по углу проводимости.

Классификация

Усилители классифицируются по классам в зависимости от их конструкции и эксплуатационных характеристик.

Не все усилители одинаковы, и существует четкое различие между настройкой и работой их выходных каскадов. Основными рабочими характеристиками идеального усилителя являются линейность, усиление сигнала, эффективность и выходная мощность, но в реальных усилителях всегда существует компромисс между этими различными характеристиками.

Как правило, большие усилители сигнала или мощности используются на выходных каскадах аудиоусилителей для управления нагрузкой громкоговорителя. Типичный громкоговоритель имеет импеданс от 4 Ом до 8 Ом, поэтому усилитель мощности должен быть способен подавать высокие пиковые токи, необходимые для возбуждения низкоомного динамика.

Один метод, используемый для различения электрических характеристик усилителей разных типов, относится к «классу», и в качестве таких усилителей классифицируются в соответствии с их схемотехнической конфигурацией и методом работы. Тогда Классы усилителей — это термин, используемый для различения разных типов усилителей.

Классы усилителя представляют величину выходного сигнала, которая изменяется в схеме усилителя в течение одного цикла работы при возбуждении синусоидальным входным сигналом. Классификация усилителей варьируется от полностью линейного режима (для использования при усилении сигнала высокой точности) с очень низкой эффективностью до полностью нелинейного (где точное воспроизведение сигнала не так важно), но с гораздо более высоким КПД, в то время как другие являются компромиссом между двумя.

Классы усилителей в основном объединены в две основные группы. Первыми являются классически управляемые усилители угла проводимости, формирующие более распространенные классы усилителей 

A, B, AB и C , которые определяются длиной их состояния проводимости на некоторой части выходного сигнала, так что работа транзистора выходного каскада лежит где-то между «полностью включен» и «полностью выключен».

Второй набор усилителей — это более новые так называемые «переключающие» классы усилителей D, E, F, G, S, T и т.д., Которые используют цифровые схемы и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для постоянного переключения сигнала между «полностью ВКЛ.» и «полностью ВЫКЛ.», приводящие к сильному выходу в области насыщения и обрезания транзисторов.

Наиболее часто создаваемые классы усилителей — это классы, которые используются в качестве аудиоусилителей, в основном, классы A, B, AB и C, и, для простоты, именно эти типы классов усилителей мы рассмотрим здесь более подробно.

Усилитель класса А

Усилители класса А являются наиболее распространенным типом усилителей класса в основном благодаря их простой конструкции. Класс A буквально означает «лучший класс» усилителя, в основном из-за их низких уровней искажения сигнала и, вероятно, является лучшим звучанием из всех классов усилителей, упомянутых здесь. Усилитель класса А имеет самую высокую линейность по сравнению с другими классами усилителей и, как таковой, работает в линейной части кривой характеристик.

Обычно усилители класса A используют один и тот же транзистор (биполярный, полевой транзистор, IGBT и т.д.), подключенный в общей конфигурации эмиттера для обеих половин сигнала, причем транзистор всегда проходит через него, даже если у него нет базового сигнала. Это означает, что выходной каскад, будь то биполярное устройство, устройство MOSFET или IGBT, никогда не приводится полностью в свои области отсечки или насыщения, а вместо этого имеет базовую точку смещения Q в середине линии нагрузки. Тогда транзистор никогда не выключается, что является одним из его основных недостатков.

картинка-схема усилителя класса Акартинка-схема усилителя класса А

Для достижения высокой линейности и усиления выходного каскада усилителя класса A постоянно смещен в положение «ВКЛ» (проводящий). Затем для того, чтобы усилитель был классифицирован как «класс A», нулевой ток холостого хода на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки (обычно громкоговоритель), необходимый для получения наибольшего выходного сигнала.

Поскольку усилитель класса А работает в линейной части своих характеристических кривых, одно выходное устройство проходит через полные 360 градусов выходного сигнала. Тогда усилитель класса А эквивалентен источнику тока.

Поскольку усилитель класса A работает в линейной области, напряжение смещения постоянного тока (или затвора) базы транзисторов должно быть выбрано правильно, чтобы обеспечить правильную работу и низкий уровень искажений. Однако, поскольку выходное устройство постоянно включено, оно постоянно проводит ток, который представляет собой постоянную потерю мощности в усилителе.

Из-за этой постоянной потери мощности усилители класса A создают огромное количество тепла, добавляя к их очень низкому КПД около 30%, что делает их непрактичными для мощных усилителей. Кроме того, из-за высокого тока холостого хода усилителя, источник питания должен иметь соответствующие размеры и быть хорошо отфильтрованными, чтобы избежать любого гула и шума усилителя. Поэтому из-за низкой эффективности и проблем перегрева усилителей класса A были разработаны более эффективные классы усилителей.

Усилитель класса B

Усилители класса B были изобретены как решение проблем эффективности и нагрева, связанных с предыдущим усилителем класса A. Усилитель базового класса B использует два дополнительных транзистора, либо биполярные из полевых транзисторов, для каждой половины формы сигнала, а его выходной каскад сконфигурирован по схеме «двухтактный», так что каждое транзисторное устройство усиливает только половину выходного сигнала.

В усилителе класса B отсутствует базовый ток смещения постоянного тока, поскольку его ток покоя равен нулю, так что мощность постоянного тока мала, и, следовательно, его эффективность намного выше, чем у усилителя класса А. Однако цена, уплачиваемая за повышение эффективности, заключается в линейности коммутационного устройства.

картинка-схема усилителя класса Вкартинка-схема усилителя класса В

Когда входной сигнал становится положительным, транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор выключен. Аналогично, когда входной сигнал становится отрицательным, положительный транзистор выключается, а отрицательный смещенный транзистор включается и проводит отрицательную часть сигнала. Таким образом, транзистор проводит только половину времени либо в положительном, либо в отрицательном полупериоде входного сигнала.

Затем мы можем видеть, что каждое транзисторное устройство усилителя класса B проводит только через половину или 180 градусов выходного сигнала в строгом временном чередовании, но поскольку выходной каскад имеет устройства для обеих половин сигнала, эти две половины объединяются вместе для получения полного линейного выходного сигнала.

Эта двухтактная конструкция усилителя, очевидно, более эффективна, чем класс A, примерно на 50%, но проблема с конструкцией усилителя класса B заключается в том, что она может создавать искажения в точке пересечения нуля сигнала из-за мертвой зоны транзисторов входных базовых напряжений от -0,7 В до +0,7.

Мы помним из учебника по транзисторам, что требуется напряжение базового эмиттера около 0,7 вольт, чтобы заставить биполярный транзистор начать проводку. Затем в усилителе класса B выходной транзистор не «смещен» до состояния «ВКЛ», пока не будет превышено это напряжение.

Это означает, что та часть сигнала, которая попадает в это окно 0,7 В, не будет воспроизводиться точно, что делает усилитель класса B непригодным для применения в прецизионных усилителях звука.

Чтобы преодолеть это искажение при пересечении нуля (также известное как перекрёстное искажение), были разработаны усилители класса AB.

Усилитель класса AB

Как следует из названия, усилитель класса AB представляет собой комбинацию усилителей типа «класс A» и «класс B», которые мы рассмотрели выше. Классификация усилителя AB в настоящее время является одним из наиболее распространенных типов конструкции усилителя мощности звука. Усилитель класса AB является разновидностью усилителя класса B, как описано выше, за исключением того, что обоим устройствам разрешено проводить в одно и то же время вокруг точки пересечения осциллограмм, что устраняет проблемы искажения кроссовера предыдущего усилителя класса B.

Два транзистора имеют очень небольшое напряжение смещения, обычно от 5 до 10% от тока покоя, чтобы сместить транзисторы чуть выше его точки отсечки. Тогда проводящее устройство, либо биполярное из полевого транзистора, будет включено в течение более одного полупериода, но намного меньше, чем один полный цикл входного сигнала. Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше, чем половину цикла проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Другими словами, угол проводимости усилителя класса AB находится где-то между 180 o и 360 o в зависимости от выбранной точки смещения.

картинка-схема усилителя класса АВкартинка-схема усилителя класса АВ

Преимущество этого небольшого напряжения смещения, обеспечиваемого последовательными диодами или резисторами, состоит в том, что перекрестное искажение, создаваемое характеристиками усилителя класса B, преодолевается без неэффективности конструкции усилителя класса A. Таким образом, усилитель класса AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, при этом эффективность преобразования достигает примерно от 50% до 60%.

Усилитель класса C

Конструкция усилителя класса C обладает наибольшей эффективностью, но самой плохой линейностью среди классов усилителей, упомянутых здесь. Предыдущие классы A, B и AB считаются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходных сигналов линейно связаны с амплитудой и фазой входных сигналов.

Однако усилитель класса C сильно смещен, так что выходной ток равен нулю в течение более половины цикла синусоидального входного сигнала, когда транзистор находится в режиме ожидания в точке его отключения. Другими словами, угол проводимости для транзистора значительно меньше 180 градусов и, как правило, составляет около 90 градусов.

Хотя эта форма смещения транзистора дает значительно улучшенную эффективность усилителя, составляющую примерно 80%, она вносит очень сильные искажения в выходной сигнал. Поэтому усилители класса C не подходят для использования в качестве усилителей звука.

картинка-схема усилителя класса Скартинка-схема усилителя класса С

Из-за сильного искажения звука усилители класса C обычно используются в высокочастотных синусоидальных генераторах и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, генерируемые на выходе усилителей, могут быть преобразованы в синусоидальные волны определенной частоты использование LC резонансных цепей в его коллекторной цепи.

Другие распространенные классы усилителей

  • Усилитель класса D — это нелинейный импульсный усилитель или ШИМ-усилитель. Усилители класса D теоретически могут достигать 100% эффективности, так как в течение цикла не существует периода, когда формы напряжения и тока перекрываются, так как ток подается только через включенный транзистор.
  • Усилитель класса F повышают как эффективность, так и выходную мощность благодаря использованию гармонических резонаторов в выходной сети для преобразования формы выходного сигнала в прямоугольную волну. Усилители класса F способны обеспечить высокую эффективность более 90%, если используется бесконечная гармоническая настройка.
  • Усилитель класса G предлагает усовершенствования конструкции усилителя базового класса AB. Класс G использует несколько шин питания различных напряжений и автоматически переключается между этими линиями питания при изменении входного сигнала. Такое постоянное переключение снижает среднее энергопотребление и, следовательно, потери мощности, вызванные потерей тепла.
  • Усилитель класса I имеет два набора дополнительных выходных переключающих устройств, расположенных в параллельной двухтактной конфигурации, причем оба набора переключающих устройств дискретизируют один и тот же входной сигнал. Одно устройство переключает положительную половину сигнала, а другое переключает отрицательную половину, как усилитель класса B. При отсутствии входного сигнала или когда сигнал достигает точки пересечения нуля, переключающие устройства включаются и выключаются одновременно с рабочим циклом ШИМ 50%, что отменяет любые высокочастотные сигналы. Для получения положительной половины выходного сигнала выходной сигнал положительного переключающего устройства увеличивается в рабочем цикле, тогда как отрицательное переключающее устройство уменьшается на то же самое, и наоборот. Считается, что два токовых сигнала переключения чередуются на выходе, давая усилителю класса I имя: «чередующийся ШИМ-усилитель», работающий на частотах переключения более 250 кГц.
  • Усилитель класса S — это усилитель нелинейного режима переключения, аналогичный по своему действию усилителю класса D. Усилитель класса S преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с помощью дельта-сигма-модулятора и усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность, прежде чем окончательно демодулировать с помощью полосового фильтра. Поскольку цифровой сигнал этого переключающего усилителя всегда либо полностью включен, либо выключен (теоретически нулевое рассеивание мощности), возможны коэффициенты полезного действия, достигающие 100%.
  • Усилитель класса T — это еще один тип цифрового усилителя с коммутацией. Усилители класса T в наши дни становятся все более популярными в качестве конструкции усилителя звука из-за наличия микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и многоканальных усилителей объемного звука, поскольку он преобразует аналоговые сигналы в сигналы с цифровой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для усиление, увеличивающее эффективность усилителей. Конструкции усилителей класса T сочетают в себе уровни сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB и коэффициент полезного действия усилителя класса D.

Мы видели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Краткое описание классов усилителей

Мы увидели, что рабочая точка постоянного тока Q усилителя определяет классификацию усилителя. Устанавливая положение точки Q наполовину на линии нагрузки кривой характеристик усилителей, усилитель будет работать как усилитель класса А. Перемещая Q вниз по линии нагрузки изменит усилитель в классе АВ, В или С.

Тогда класс работы усилителя относительно его рабочей точки постоянного тока может быть задан как:

диаграмма классов усилителейдиаграмма классов усилителей

Мы рассмотрели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Таблица классов усилителей по углу проводимости

Усилители класса АВ, В и С могут быть определены в терминах угла проводимости θ следующим образом:

Классы усилителейОписаниеУгол проводимости
Класс АПолный цикл 360 o проводимостиθ = 2π
Класс ВПоловина цикла 180 o проводимостиθ = π
Класс ABЧуть более 180 o проводимостиπ <θ <2π
Класс СЧуть менее 180 o проводимостиθ <π
От класса D до TВКЛ-ВЫКЛ нелинейное переключениеθ = 0

Схема усилителя класса Т

   Недавно прочел небольшую статью про усилители нового рода, хотя это трудно назвать статьей, поскольку было всего пару строк написано про данный тип усилителя. В просторах интернета не так уж и много информации про эти усилители, вот я решил для обозрения написать такую статью, хотя много информации предоставить не могу. Итак тема сегодня пойдет про микросхему TDA2500 - УНЧ класса "Т". В последнее время фирма tripath стала выпускать эту микросхемы, она не похожа на другие ранее знакомые нам микросхемы, более похожа на процессор, но не смотря на свои не очень большие размеры способна выдавать сумасшедшую мощность в 2.200 ватт! Микросхема стереофоническая, по 1.100 ватт на канал. 

   По типу - это новый импульсный усилитель, выходные каскады которого работают в классе Т. Этот класс отделяется своими предшественниками относительно высокой мощностью, компактными размерами и высоким кпд, который достигает до 90%! В нем не так уж и много тепловых потерь, почти вся мощность источника питания превращается в полезную звуковую. 

   Схема включения такого чип-усилителя тоже достаточно проста, вопрос только в повышенном питании 200-240 вольт, но это нормально , поскольку выдаваемая усилителем мощность все-же не шуточная. Выход усилителя умощнен каскадом полевых транзисторов, при замене на более мощные, усилитель будет способен выдавать до 3.000 ватт на канал, представьте зверя на 6 квт.

   Взамен микросхема достаточно дешевая, можно сказать дешевле некуда! Стоит 100 долларов США, согласитесь, что для такой мощности это небольшие деньги. Хотя мощность усилителя позволяет давать концерты, но звуковые параметры не могут тягаться с усилителями класса АВ, но вот для сабвуфера в самый раз! Возможно найдутся меломаны, которые захотят увидеть такой усилитель у себя в машине, но пока думаю многие побояться схемы включения, поскольку ранее не публиковалась статья собранного усилителя.


Понравилась схема - лайкни!

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

       УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ          УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ  

   

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ          СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ   

    

Классы усилителей звука: классификация - D, A, B, C, AB и другие. Ультралинейные и цифровые. Какой класс лучше?

Наверняка многие слышали о том, что современные усилители могут относиться к разным классам. Однако люди, далекие от акустических систем и технических особенностей звуковой аппаратуры, вряд ли представляют, что скрывается за буквенными обозначениями.

В нашем обзоре мы подробнее расскажем о том, что такое классы усилителей, какими они бывают, и как подобрать оптимальную модель.

Классификация

Класс усилителя — это величина выходящего сигнала, при которой он в функциональной схеме на протяжении одного рабочего цикла приводится в действие синусоидальным входящим сигналом и в результате этого воздействия изменяется. Классификация усилителей по классам зависит от параметров линейности режима, используемого для усиления поступающих сигналов от категорий с повышенной точностью при довольно сниженной эффективности до абсолютно нелинейных. В этом случае точность звуковоспроизведения сигнала не столь велика, зато КПД довольно высок. Все остальные классы усилителей являются некими промежуточными моделями между этими двумя группами.

Первая группа

Все классы усилителей условно можно разделить на две подгруппы. К первой относятся классические управляемые модели классов A, B, а также AB и C. Их категория обусловлена параметром их проводимости на определенном участке выходного сигнала. Таким образом, работа встроенного транзистора на выходе располагается посредине между «выкл» и «вкл».

Вторая группа

Ко второй категории устройств относят более современные модели, которые считаются так называемыми переключающимися классами — это модели D, E, F, а также G, S, H и T.

Эти усилители применяют в работе широтно-импульсную модуляцию, а также цифровые схемы для беспрерывного переведения сигнала между «полностью выкл» и «полностью вкл». Как следствие, происходит мощный выход в районе насыщения.

Описание популярных классов

О разных классах усилителей мы поговорим более подробно.

А

Модели класса А получили наибольшее распространение благодаря простоте их конструкции. Это объясняется несколькими параметрами искажения входящего сигнала и, соответственно, высоким качеством звучания в сравнении со всеми остальными категориями усилительных установок. Модели, относящиеся к этой категории, характеризуются высокой линейностью по сравнению с прочими.

Обычно усилители класса А в своей работе используют единый вариант транзисторов. Его подключают к базовой конфигурации эмиттера для двух половин сигнала так, что германиевый транзистор неизменно идет сквозь него даже в том случае, если фазовый сигнал отсутствует. Это значит, что на выходе каскад не станет в полной мере проходить в область отсечки сигнала и насыщения. Он имеет собственную точку смещения примерно в центральной части линии нагрузки. Такое строение приводит к тому, что транзистор попросту не активируется — именно это считается одним из его базовых недостатков.

Чтобы устройство можно было классифицировать, как относящееся к этому классу, нулевой ток на холостом ходу в выходном каскаде должен равняться предельному току нагрузки либо даже превышать его — это позволяет обеспечить максимальный выходящий сигнал.

Поскольку устройства класса А относятся к однотактным и функционируют в линейной зоне всех заданных кривых, одно выходное устройство проходит через полные 360 градусов, в этом случае устройство категории А в полной мере соответствует источнику тока.

Поскольку усилители этой категории работают, как мы уже говорили, в ультралинейной области, то смещение постоянного тока должно быть установлено корректно — это позволит обеспечивать исправную работу и дает звуковой поток мощностью 24 Вт. Однако в связи с тем, что выходное устройство все время находится в отключенном состоянии, оно беспрерывно проводит ток, и это создает условия для постоянной потери мощности во всей конструкции. Такая особенность приводит к выделению большого объема тепла, при этом их КПД довольно низок — не превышает 40%, что делает их непрактичными, если речь идёт о каких-то мощных акустических системах. Помимо того, из-за повышенного тока холостого хода установки, блок питания должен иметь соответствующие габариты и быть максимально отфильтрован, в противном случае не избежать звучания усилителя и стороннего гула. Именно эти недостатки привели к тому, что производители вынуждены были продолжить работу над созданием усилителей более эффективной категории.

В

Усилители класса B были созданы производителями для решения проблем, связанных с низким КПД и повышенным уровнем перегрева, которые свойственны установкам предыдущей категории. В своей работе модели категории В применяют пару дополнительных транзисторов, как правило, биполярных. Их отличие в том, что для обеих половин сигнала выходной фронт построен по двухтактной схемотехнике, таким образом каждое транзисторное устройство дает усиление лишь наполовину выходного сигнала.

Базовый ток смещения уровня постоянного тока в усилителях этого класса отсутствует, поскольку ток его покоя равняется нулю, поэтому мощностные параметры постоянного тока обычно малы. Соответственно, и КПД его гораздо выше, нежели у устройств А. При этом когда сигнал принимает положительное значение, транзистор с положительным смещением ведет его, а отрицательный остаётся в выключенном состоянии. Аналогично в момент, когда входящий сигнал принимает отрицательное значение, положительный отключается, а отрицательно смещённый транзистор, наоборот, активируется и обеспечивает проведение отрицательной половины сигнала. В результате транзистор во время своей работы проводит 1/2 цикла только в положительном либо в отрицательном полупериоде поступающего сигнала.

Соответственно, всякое транзисторное устройство этой категории может проходить только через часть выходного сигнала, при этом в четком чередовании.

Такая двухтактная конструкция примерно на 45-60% эффективнее, нежели усилители класса А. Тем не менее проблемы с моделями этого типа заключаются в том, что они дают существенные искажения в момент прохождения аудиосигнала из-за «мертвой зоны» транзисторов в коридоре входных напряжений со значениями от -0,7 В до +0,7 В.

Как все знают из курса физики, базовый эмиттер должен давать напряжение около 0,7 В для того, чтобы биполярный транзистор начал полноценную проводку. Пока это напряжение не превысит эту отметку, выходной транзистор не сместится до положения включения. Это значит, что половина сигнала, которая пойдёт в коридор 0,7 В, начнет воспроизводиться неточно. Соответственно, это делает устройства категории B практически непригодными для применения в прецизионных акустических установках.

Для того чтобы преодолеть эти искажения и были созданы так называемые компромиссные устройства класса AB.

АВ

Эта модель представляет собой некий тандем конструкции категории А и категории B. В наше время усилители типа AB считаются одними из самых распространенных вариантов конструкций. По принципу своей работы они немного напоминают изделия категории В, с тем только исключением, что оба транзисторных устройства могут в одно и то же время проводить сигнал возле точки пересечения осциллограмм. Это в полной мере устраняет все проблемы искажения сигнала предыдущего усилителя группы В. Разница состоит в том, что пара транзисторов имеет довольно малое напряжение смещения, как правило, оно составляет от 5 до 10% от параметров тока покоя. В этом случае проводящее устройство остаётся включённым дольше, чем время одного полупериода, но в то же время – это гораздо меньше, нежели полный цикл входного сигнала.

Можно с полной уверенностью сказать, что устройство типа AB считается отличным компромиссом между моделями класса А и моделями класса В с позиции КПД и линейности, в то время как эффективность трансформации звукового сигнала составляет приблизительно 50%.

С

Конструкция установок, относящихся к классу C, обладает максимальной эффективностью, но при этом довольно плохой линейностью в сравнении со всеми остальными категориями. Усилитель C-класса довольно заметно смещен, поэтому входной ток принимает нулевое значение и держится на этой отметке на протяжении более 1/2 цикла поступающего сигнала. В это время транзистор пребывает в режиме ожидания его выключения.

Подобная форма смещения транзистора обеспечивает наибольшую эффективность устройства, его КПД составляет порядка 80%, но при этом она вносит довольно значительные звуковые искажения в исходящий сигнал.

Такие конструкционные особенности делают невозможным применение усилителей в акустических системах. Как правило, эти модели нашли свою сферу использования в высокочастотных генераторах, а также отдельных вариантах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, издаваемые на выходе, преобразуются в синусоидальные волны заданной частоты.

D

Усилитель категории D относится к двухканальным нелинейным импульсным моделям, их еще называют ШИМ-усилители.

В подавляющем большинстве аудиосистем выходные каскады функционируют в классах А либо АВ. В интегральных усилителях группы D мощность рассеивания линейных входов значительна даже в случае их максимально полной, практически идеальной реализации. Это дает моделям D-класса существенное преимущество в большинстве сфер применения вследствие минимального тепловыделения, снижения веса и габаритов устройства и, соответственно, пониженной стоимости изделий, притом что время автономной работы в таких моделях увеличено в сравнении с моделями других конструкций.

Как правило, это высоковольтные модели, они рассчитаны на плату в 10000 ватт.

Другие

Усилитель класса F. Эти модели обеспечивают повышенную эффективность, их КПД составляет порядка 90%.

Усилитель класса G. Этот усилитель, по сути, представляет собой усовершенствованную высоколинейную конструкцию базового устройства класса AB на ТДА. Модели, относящиеся к данной категории, могут выполнять автоматическое переключение между разными линиями питания в случае изменения параметров поступающего сигнала. Подобное переключение многократно уменьшает энергопотребление и, соответственно, уменьшает расход мощности, которые вызываются утратой тепла.

Усилитель класса I. Такие модели имеют пару комплектов дополнительных выходных приспособлений. Перед включением они располагаются в двухтактной конфигурации. Первое устройство выполняет переключение положительной части сигнала, а второе — отвечает за переключение отрицательной, подобно усилителям категории B. При отсутствии сигнала аудио на входе или в случае, если сигнал достигает нулевой точки пересечения, переключающий механизм включается и выключается в одно время с основным циклом.

Усилитель класса S. Данный класс усилителей относят к категории нелинейного механизма переключения. По механизму своей работы они в чем-то похожи на усилители категории D. Такой усилитель производит преобразование аналоговых входящих сигналов в цифровые, многократно усиливая их. Таким образом, чтобы повысить мощность на выходе, обычно цифровой сигнал переключающего устройства либо полностью включен, либо полностью выключен, поэтому КПД таких устройств может составлять 100%.

Усилитель класса T. Ещё один вариант цифрового усилителя. Сегодня такие модели набирают всё большую популярность из-за присутствия микросхем, позволяющих выполнять цифровую обработку поступающего сигнала, а также встроенных многоканальных усилителей 3D-звучания. Такой эффект обеспечивается конструкцией, позволяющей преобразовывать аналоговые сигналы в звуки повышенной ШИМ цифрового типа. Конструкция устройств класса C объединяет параметры сигнала с пониженной степенью искажений, подобного АВ категории, в то время как сохраняют КПД на уровне моделей класса D.

Как определить?

Для начала остановимся на том, как в принципе функционирует усилитель. Наверняка вы будете удивлены, но по факту заводской усилитель ничего не усиливает. По сути, механизм его работы напоминает работу самого простого крана: вы крутите ручку и вода из водопровода начинает литься, сильнее или слабее, а если ее закрутить — то поток будет перекрыт. В усилителях все процессы происходят таким же образом. От мощного модуля питания ток проходит сквозь подключенный к устройству динамик. В данном случае функцию крана берут на себя транзисторы — на выходе степенью их закрытия и открытия управляет сигнал, который проходит на усилитель. От того, как именно этот кран функционирует, то есть как действуют выходные транзисторы, и определяется класс усилителей.

Если мы говорим об устройствах АВ, то в них транзисторы могут иметь неприятное свойство открываться и закрываться непропорционально поступающим на них сигналам. Таким образом, их работа становится неизменной. Возвращаясь к аналогии с краном — вы можете поворачивать ручку краника, но вода сперва будет течь слабо, а затем вдруг поток внезапно усилится.

По этой причине транзисторы категории АВ приходится удерживать в приоткрытом состоянии даже в том случае, если сигнал отсутствует. Это необходимо для того, чтобы они начали работать сразу же, а не выжидали, пока сигнал дойдет до определённого уровня – только в этом случае усилитель сможет воспроизводить звук с минимальными искажениями. На практике это означает, что некоторая часть полезной энергии расходуется вхолостую. Только представьте, что вы откроете все водопроводные краны в квартире, и из них беспрерывно будет вытекать небольшая струйка воды. Как следствие, эффективность таких моделей не превышает 50-70%, именно низкий КПД и является главным минусом усилителей АВ класса.

Если говорить об устройствах D-класса, то принцип работы у них абсолютно такой же: они имеют свои выходные транзисторы, способные закрываться и открываться. Тем самым регулируется прохождение тока сквозь подведенные к ним динамики, вот только управляет их открытием уже сигнал, по своей конфигурации весьма далекий от входящего.

Именно так подается сигнал на выходные транзисторы устройств D-класса. В данном случае функционировать они станут совсем иначе: либо в полном объеме закрываться, либо открываться без каких-либо промежуточных значений. Это означает, что КПД таких моделей может быть приближен к 100%.

Конечно, передавать подобные сигналы на аудиосистемы рано, сперва ему следует вернуть стандартную конфигурацию. Это можно сделать посредством выходного дросселя, а также конденсатора — после их обработки на выходе формируется усиленный сигнал, который по своей форме полностью повторяет входящий. Именно он и передается на динамики.

Основное преимущество устройств D-класса – это повышенный КПД и, соответственно, более щадящее расходование энергии

Долгое время было принято считать, что для подключения качественных акустических установок оптимальным решением станут усилители АВ. Модели категории D давали преобразование поступающего сигнала в импульсный с пониженной частотой, в итоге он давал хорошее звучание только в сабвуферном режиме. В наши дни технологии сделали большой шаг вперед, и сегодня появились уже быстродействующие транзисторы, которые могут открываться, а также и закрываться почти моментально, в магазинах представлено довольно много широкополосных устройств D-класса.

Эти модели предназначены на применение не только с сабвуферами, но также и с современными акустическими системами любых типов. Для тех вариантов, когда высокой мощности не требуется, имеет смысл приобрести довольно компактный усилитель.

Таким образом, если для подключения АС у вас достаточно площади, то вы вполне можете подобрать модель АВ-класса. За несколько десятилетий существования схемотехника этих моделей хорошо отработана, они дают довольно хорошее качество звучания, а в случае их поломки вы можете без проблем отремонтировать их в ближайшем сервисном центре.

Если участок для звуковой инсталляции ограничен, то стоит присмотреться к широкополосным моделям группы D. При тех же мощностных параметрах, что и изделия АВ-класса, они гораздо меньше и легче, притом меньше греются, и некоторые модели позволяют даже устанавливать их скрытно с наименьшими вмешательствами.

Для подключения сабвуферов максимальное преимущество у установок D-класса, так как темброблок басов представляет собой наиболее энергозатратный частотный диапазон — в данном случае КПД изделия имеют принципиальное значение, а в этом конкурентов изделиям D класса попросту нет.

В данном видео вы сможете нагляднее ознакомиться с классами усилителей звука.

Усилители. Классификация усилителей

Усилители в каталоге

 

Классификация усилителей

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

  1. Аналоговые, класс А
  2. Аналоговые, класс В
  3. Аналоговые, класс АВ
  4. Аналоговые, класс H
  5. Импульсные и цифровые, класс D

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».

Класс А

Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Характеристики Pass Labs XA 200.5 Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность 200 Вт 25Вт
Коэффициент гармонических искажений 1% (400Вт) не указывается
Диапазон воспроизводимых частот 1.5 – 100000 Гц 20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность 700 Вт 500 Вт
Масса 81 кг 25 кг


Представитель усилителей класса А

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В - это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.

Класс АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.


Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.


Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

 

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:
Характеристики A B AB
Теоретический КПД 50% 78% Зависит от режима
Реальный КПД 15-30% 50-60% 40-50%
Нелинейные искажения малые Высокие средние)
Потребляемая мощность постоянная зависит от выходной зависит от выходной
Термостабильность низкая высокая средняя



Представитель усилителей класса АВ

Класс H

Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка - применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения - накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.

Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.

Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя. КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.

Класс D

Строго говоря, класс D - это не только схема построения или режим работы выходного каскада - это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.


Блок схема цифрового усилителя

Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM - Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.

В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность ("ширина") изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.


График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность - с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток - зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах. Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.

Такие усилители применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.


Представитель усилителей класса D

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?

 

Все наверняка слышали о том, что усилители могут работать в классах А, АВ или, скажем, в классе D. Но, как показывает практика, далеко не все знают о том, что кроется под этими обозначениями. Сейчас мы вам расскажем, что это такое, и постараемся сделать выводы – какой усилитель и в каких случаях подойдёт вашей аудиосистеме лучше всего.

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

A, B, AB, H, D?

Когда мы тестируем в нашей акустической лаборатории усилители для автомобильных аудиосистем, то частенько упоминаем в материалах их классы, мол, этот работает в экономичном классе D, а тот чисто для аудиофилов — в классе Real АВ. И тут мне недавно задали вопрос: а что это за классы такие вообще? Ну что ж, разберемся.
Выбирая в магазине подходящий усилитель для аудиосистемы, обратите внимание на то, в каком классе они работают. Класс АВ можно назвать традиционным, в нем работает большинство усилителей. В последнее время все чаще встречаются усилки класса D, которые называют цифровыми, хотя это не совсем правильно, и скоро вы поймете почему. Что предпочесть? Какой лучше? Как обычно, однозначного ответа нет, поскольку у каждого есть свои преимущества и недостатки. Но для начала пару слов о том, что и как там вообще происходит внутри.

КАЧНЕМ ТОКУ
Основные элементы практически любого усилителя — это транзисторы. Не будем вдаваться в суть построения различных схем, тем более, что их на самом деле далеко не одна, а выделим основное — сам принцип работы. Для этого на время представим усилитель в виде, ну, скажем... водопровода. Неожиданно, правда? Тем не менее, аналогия налицо, и вы сейчас в этом убедитесь. Во-первых, в усилителе есть блок питания, преобразующий однополярное напряжение бортовой сети („плюс" и „масса") в двухполярное („плюс",„масса" и „минус"). Мы уже говорили, зачем он необходим, когда рассматривали, как измеряются мощности усилителей. Так вот, в такой системе двухполярный блок питания будет представлять собой не что иное, как два насоса (насос со стороны „+" будет как бы накачивающим, а насос со стороны „-" как бы откачивающим ток относительно массы). Наша задача — пустить эти потоки через нагрузку усилителя (нагрузка — это как раз подключенный к усилителю динамик). Для этого, понятное дело, нужны краны, которые будут управлять этими потоками.
Вот как раз роль этих кранов и играют транзисторы. Они могут открываться, пропуская через себя большой поток, или закрываться, уменьшая его. „Краны" эти по отношению друг к другу обратные: когда один начнет закрываться, другой будет открываться. Соответственно, поток от „насосов" будет направляться через нагрузку то в одну, то в другую сторону. А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА А. В, АВ, Н
Но на самом деле просто открывать и закрывать транзистор еще мало, ведь нам нужно, чтобы сигнал усиливался без искажений, то есть, чтобы выходной сигнал по форме в точности повторял входной. Значит нам необходимо, чтобы транзисторы (эти самые краны) открывались и закрывались по строго линейному закону, строго пропорционально входному сигналу.
Но вот незадача, на самом деле транзистор может так работать не во всем своем диапазоне. Например, если входной сигнал слишком маленький, то транзистор на него почти не реагирует, зато при достижении определенного уровня резко открывается. Какая уж тут линейность? А вот дальше этого момента реагирует на изменение управляющего сигнала вполне адекватно, почти что линейно. Значит, для того, чтобы искажений было как можно меньше, транзистор придется все время держать в приоткрытом состоянии. Это называется задать смещение транзистора или выбрать его рабочую точку.
В этом случае говорят, что усилитель работает в классе А. Такой класс усилителей по праву считается аудиофильским, поскольку обеспечивает очень маленькие искажения сигнала. Но самый главный его недостаток — высокий ток покоя. Ток покоя — это ток, который будет течь через транзисторы, даже когда входного сигнала нет (ведь нам же пришлось задать транзисторам некоторое смещение). Из-за этого они довольно сильно нагреваются, и значительная часть энергии от блока питания уходит в тепло, а КПД усилителя составляет в лучшем случае всего лишь около 20-30%.

Но поскольку автомобильные усилители на самом деле делаются не на одном транзисторе, а строятся по так называемым двухтактным схемам, т.е. с 2 транзисторами, то возникает одна заманчивая идея. Что, если не держать их постоянно приоткрытыми? Пусть они оба при отсутствии входного сигнала будут закрытыми? Поскольку транзисторы по отношению друг к другу обратные, то получится, что один из них будет открываться, когда сигнал положительный, а другой — когда сигнал отрицательный. Иными словами, получится, что первый будет усиливать положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную, на нагрузке же эти половинки благополучно сложатся. Когда усилитель работает в таком режиме, то говорят, что это класс В.
Решение, несомненно, хорошее, ведь через транзисторы в такой схеме не течет бесполезный ток, когда сигнала нет, а значит и КПД усилителя получается гораздо выше. Однако все бы замечательно, но дело в том, что какие бы мы хорошие и качественные транзисторы не поставили, у них все равно будет присутствовать нелинейность в самом начале их открытия. А это значит, что в тот момент, когда один транзистор только закрывается, а второй только открывается, неизбежно появится искажение в виде ступеньки.

Когда уровень сигнала высокий, эта ступенька не выглядит очень уж большой, и если особо не придираться, то на нее еще можно и не обращать особого внимания. А вот на небольших уровнях сигнала она будет уже слишком заметна. Поэтому класс В в чистом виде в автомобильных усилителях не используется из-за больших искажений.
Так какой же режим лучше всего выбрать для усилителя? В классе А — маленькие искажения, но и КПД низкий, львиная доля мощности блока питания уйдет в тепло (вот почему усилители, работающие в этом классе, греются как утюги). Класс В обеспечит хороший КПД, но искажения будут такими, что о высоком качестве воспроизведения особо говорить не придется. Компромиссное решение — это смешанный режим, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение, гораздо меньшее, чем в чистом классе А, но уже достаточное для того, чтобы избежать заметной ступеньки в выходном сигнале. При этом так и говорят — усилитель работает в классе АВ.
Выбирая рабочую точку транзисторов (ну или иными словами, выбирая насколько транзисторы будут приоткрыты в режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала), можно сделать усилитель класса АВ ближе к классу А или к В. Например, в первом случае наиболее заметен тот эффект, что до достижения определенной мощности усилитель работает в классе А, а на высоких уровнях как бы автоматически переходит в класс АВ — решение, довольно часто применяемое в усилителях высокого класса (иногда в описаниях к таким усилителям можно встретить обозначение их класса как Real АВ).
Справедливости ради, нужно отметить, что классы А, В и АВ не единственные. Есть и другие, которые можно назвать производными от них, они представляют собой попытки совместить экономичность АВ-класса с качеством А-класса. Например, класс А+ — симбиоз усилителей В-класса и А-класса (выход первого является средней точкой для второго). Или класс Super A (Non Switching) — в них специальная схема не дает транзисторам полностью запираться(ведь основные искажения, как вы уже знаете, как раз из-за нелинейности в самый начальный момент открытия транзисторов-„кранов"). А усилители класса G вообще представляют собой два каскада усиления, работающих каждый от своего источника питания разного напряжения (на небольшой мощности работает каскад, питающийся от источника с небольшим напряжением, а на пиках к нему подключается второй, питающийся от источника с большим напряжением). Впрочем, все это довольно сложные схемы, которые и в домашней то технике применяются все реже, а уж в автомобильных усилителях это, мягко говоря, и вовсе экзотика.
А вот усилители класса Н можно с уверенностью назвать чисто автомобильными. В этом классе делают усилители, встроенные в головное устройство. Понятное дело, в них нет никаких сложных блоков питания, преобразующих бортовые 12 Вольт в двухполярное питание с большим напряжением (впрочем, встроенный в ГУ усилитель все равно питается отдвухполярного напряжения, просто за среднюю точку для него принимается Uпит/2, то есть, условно говоря, 6 Вольт), поэтому мощность таких усилителей невелика. Класс Н — это попытка в какой-то мере нивелировать основной недостаток маломощных усилителей — зажатость звучания. Так как же он работает?
На самом деле, усилитель класса Н — это практически то же самое, что и обычный усилитель класса АВ. Только в нем есть так называемая схема удвоения напряжения питания, основной элемент которой — конденсатор, накапливающий заряд, когда входной сигнал не очень большой. Ну а поскольку реальный музыкальный сигнал — это вам не синус, на котором по стандарту измеряется мощность, то для него характерны кратковременные пики. Так вот, как раз в моменты таких пиков этот самый конденсатор специальной схемой добавляется последовательно к питающему напряжению, и оно как бы кратковременно удваивается, помогая усилителю воспроизвести эти пики с меньшими искажениями. Это, на самом деле, не особо сказывается на мощности усилителя, измеренной стандартно на синусоидальном сигнале, но на средних и высоких частотах звучание субъективно становится лучше.

КСТАТИ
Класс усилителя в первом приближении можно распознать по характеру зависимости КНИ от мощности. Смотрите, на малых уровнях сигнала класс А обеспечивает самые маленькие искажения. А вот класс В за счет „ступеньки" в сигнале на малых уровнях непременно будет иметь повышенные искажения (так называемая проблема первого Ватта). Класс АВ где-то между ними.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА D
Классы А, В, АВ и прочие их производные — это все традиционные классы аналоговых усилителей, принципы построения у них схожие, разве что режимы работы транзисторов выбираются разные, да добавляются кое-какие примочки. Но есть и усилители, которые строятся изначально несколько иначе. Это импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится). Давайте в общих чертах разберем, как работает усилитель D-класса.
Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть. Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается.
Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной.

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. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).
В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

 

 

Классы усилителей мощности (Объясненные усилители класса A, B, AB, C, D)

В электронике усилитель является наиболее часто используемым схемным устройством с огромными возможностями применения. В электронике, связанной с аудио, предусилитель и усилители мощности представляют собой два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, кроме этой конкретной цели применения, существуют огромные различия в различных типах усилителей, в основном в усилителях мощности. Поэтому здесь мы рассмотрим различных классов усилителей вместе с их достоинствами и недостатками.

Классификация усилителей с использованием букв

Классы усилителей - это идентичность характеристик и характеристик усилителя. Различные типы усилителей мощности дают разные ответы при прохождении через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям назначаются разные буквы или алфавиты, которые представляют их классы. Существуют различные классы усилителей, начиная с A, B, C, AB, D, E, F, T и т. Д. .Из этих классов наиболее часто используемые классы аудиоусилителей - это A, B, AB, C. Другие классы - это современные усилители, которые используют переключающие топологии и технику ШИМ (широтно-импульсная модуляция) для управления выходной нагрузкой. Иногда улучшенным версиям традиционных классов присваиваются буквы, чтобы классифицировать их как различные классы усилителей, например, усилитель класса G представляет собой модифицированный класс усилителей класса B или усилителя класса AB.

Классы усилителя представляют пропорцию входного цикла, когда ток проходит через усилитель. Цикл ввода - это угол проводимости, полученный из синусоидальной волновой проводимости на входе усилителя. Этот угол проводимости сильно пропорционален усилителям по времени в течение полного цикла. Если усилитель всегда включен во время цикла, угол проводимости будет 360 градусов . Таким образом, если усилитель обеспечивает угол проводимости 360 градусов, то усилитель использовал полный входной сигнал, а активный элемент проводился в течение 100% периода полного синусоидального цикла.

Ниже мы продемонстрируем традиционных класса усилителей мощности, начиная с классов A, B, AB и C, , а также продемонстрируем усилитель класса D, который широко используется в коммутационных конструкциях. Эти классы не только используются в усилителе мощности, но также используются в схемах аудиоусилителей.

Усилитель класса A

Усилитель класса A - это усилитель с высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью. В случае усилителя класса A угол проводимости составляет 360 градусов.Как указывалось выше, угол проводимости 360 градусов означает, что усилительное устройство остается активным в течение всего времени и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

CLASS A Amplifier

Как мы видим на изображении, есть один активный элемент, транзистор. Смещение транзистора остается включенным все время. Благодаря этому, функция никогда не выключается, усилитель класса обеспечивает лучшую стабильность частоты и обратной связи .Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко построить с одним компонентом устройства и минимальным количеством деталей.

Несмотря на преимущества и высокую линейность, безусловно, у него много ограничений. Благодаря непрерывной проводящей природе усилитель класса обеспечивает высокие потери мощности . Кроме того, из-за высокой линейности усилитель класса А обеспечивает искажения и шумы. Блок питания и конструкция смещения требуют тщательного выбора компонентов, чтобы избежать нежелательного шума и минимизировать искажения.

Из-за больших потерь мощности в усилителе класса A он излучает тепло и требует больше места для радиатора. Эффективность в усилителях класса А очень низкая, теоретически эффективность варьируется от 25 до 30% при использовании с обычной конфигурацией. Эффективность может быть улучшена с использованием конфигурации с индуктивно связанной связью, но эффективность в таком случае составляет не более 45-50%, таким образом, подходит только для целей усиления слабого сигнала или низкого уровня мощности.

Усилитель класса B

Усилитель класса B немного отличается от класса A. Он создается с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла , то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный ток привода для нагрузки.

CLASS B Amplifier

На изображении выше показана конфигурация усилителя Ideal Class B. Он состоит из двух активных устройств, которые смещаются одно за другим во время положительного и отрицательного полупериода синусоидальной волны , и, таким образом, сигнал сдвигается или подтягивается к усиленному уровню как с положительной, так и с отрицательной стороны, и объединяет результат, который мы получаем через полный цикл. выход.Каждое устройство включалось или становилось активным в половине цикла, и благодаря этому КПД повышается, по сравнению с 25-30% КПД усилителя класса А, теоретически он обеспечивает КПД более 60%. Мы можем видеть график входного и выходного сигнала каждого устройства на рисунке ниже. КПД не более 78% для усилителя класса B . Теплоотдача в этом классе сведена к минимуму, что обеспечивает низкий объем радиатора .

Но у этого класса также есть ограничение. Очень глубоким ограничением этого класса является искажение кроссовера . Поскольку два устройства обеспечивают каждую половину синусоидальных волн, которые объединяются и соединяются через выходной сигнал, в области, где объединяются две половины, имеется несоответствие (пересечение). Это связано с тем, что когда одно устройство завершает половину цикла, другое должно обеспечивать одинаковую мощность почти в то же время, когда другое завершает работу. Эту ошибку трудно исправить в усилителе класса A, поскольку во время активного устройства другое устройство остается полностью неактивным.Ошибка обеспечивает искажение в выходном сигнале. Из-за этого ограничения это серьезный сбой для применения прецизионного аудиоусилителя.

Усилитель класса AB

Альтернативный подход для преодоления перекрестного искажения заключается в использовании усилителя AB . Усилитель класса AB использует промежуточный угол проводимости обоих классов A и B, поэтому мы можем видеть свойства усилителей класса A и класса B в этом классе топологии AB.Аналогично классу B, он имеет ту же конфигурацию с двумя активными устройствами, которые проводят в течение половины циклов индивидуально, но каждое устройство смещено по-своему, поэтому они не отключаются полностью в неиспользуемый момент (момент кроссовера). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидальной формы волны, вместо этого они проводят небольшое количество ввода в другой половине цикла. Используя эту технику смещения, несоответствие кроссовера во время мертвой зоны значительно уменьшается.

CLASS AB Amplifier

Но в этой конфигурации эффективность снижается, поскольку линейность устройств подвергается риску. Эффективность остается большей, чем эффективность типичного усилителя класса A, но она ниже, чем у системы усилителей класса B. Кроме того, необходимо тщательно выбирать диоды с одинаковыми характеристиками и располагать их как можно ближе к выходному устройству. В некоторых схемотехнических конструкциях конструкторы, как правило, добавляют резистор малого значения для обеспечения стабильного тока покоя на устройстве, чтобы минимизировать искажения на выходе.

Усилитель класса C

Помимо усилителей класса A, B и AB, есть еще один усилитель класса C. Это традиционный усилитель, который работает не так, как другие классы усилителей. Усилитель класса C - это настроенный усилитель, который работает в двух разных режимах работы: настроенный или ненастроенный. КПД усилителя класса C намного больше, чем у A, B и AB. Максимальная эффективность 80% может быть достигнута в операциях, связанных с радиочастотами

CLASS C Amplifier

Усилитель класса

C использует угол проводимости менее 180 градусов. В ненастроенном режиме секция тюнера исключена из конфигурации усилителя. В этой операции усилитель класса C также дает огромное искажение на выходе.

Когда цепь подвергается настраиваемой нагрузке, она ограничивает уровень выходного смещения средним выходным напряжением, равным напряжению питания. Настроенная операция называется фиксатора . Во время этой операции сигнал приобретает правильную форму, а центральная частота становится менее искаженной.

При обычном использовании усилитель класса C обеспечивает эффективность 60-70%.

Усилитель класса D

Усилитель класса D - это импульсный усилитель, который использует широтно-импульсную модуляцию или ШИМ. Угол проводимости не является фактором в таком случае, так как прямой входной сигнал изменяется с переменной шириной импульса.

В этой системе усилителей класса D линейное усиление не принимается, поскольку они работают так же, как и обычный выключатель, который имеет только две операции: ВКЛ или ВЫКЛ.

CLASS D Amplifier

Перед обработкой входного сигнала аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов с помощью различных методов модуляции, а затем подается на систему усилителей. Поскольку длительность импульсов связана с аналоговым сигналом, он снова восстанавливается с использованием фильтра нижних частот на выходе.

Усилитель класса D является самым мощным усилителем класса в сегментах A, B, AB, C и D. Он имеет меньшую теплоотдачу, поэтому необходим небольшой радиатор.Схема требует различных переключающих компонентов, таких как полевые транзисторы с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но следует помнить, что это не цифровой конвертер. Хотя для более высокой частоты усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения полосы пропускания в зависимости от возможностей фильтра нижних частот и модуля преобразователя.

Другие классы усилителей

Помимо традиционных усилителей, есть еще несколько классов, которые относятся к классу E, классу F, классу G и H.

Усилитель класса E - это высокоэффективный усилитель мощности, использующий топологию коммутации и работающий на радиочастотах. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основным компонентом для использования с усилителем класса E.

Class F - усилитель с высоким импедансом в отношении гармоник. Он может управляться с помощью прямоугольной или синусоидальной волны. Для синусоидального волнового входа этот усилитель может быть настроен с использованием индуктора и может использоваться для увеличения усиления.

Класс G использует переключение шин для снижения энергопотребления и повышения эффективности. И Class H является еще более улучшенной версией Class G.

Дополнительные классы - усилитель специального назначения. В некоторых случаях буквы предоставляются производителем для обозначения их фирменного дизайна. Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является торговой маркой для особого типа коммутирующего усилителя класса D, используемого для технологий усилителей Tripath, который является запатентованным дизайном.

,
«Цифровые» коммутационные усилители класса D или класса T | HFA

Большинство так называемых «цифровых» усилителей не являются цифровыми вообще

У

Bang и Olufsen был этот модуль, который звучал потрясающе. Вскоре после этого Джефф Роулэнд более или менее начал шумиху с их прекрасными миниатюрными моноблоками модели 201, в которых были эти так называемые модули ICE-Power, и вскоре после этого PS Audio укрепил тенденцию с помощью собственного усилителя. Но, конечно, были другие, которые делали усилители класса D до того, как это сделал Роуленд, например Tact, теперь Lyngdorf Audio и Sharp.Продукты Tact были прекрасны, но так или иначе никогда не доходили до большого рынка и долгое время оставались широко невидимыми для широкой публики. А до этого были наборы "сделай сам". Большинство людей знают, что класс D более эффективен, чем класс A или даже класс A / B, и обладает огромным запасом мощности, оставаясь прохладным на ощупь. Теперь есть усилители класса D от B & O (Джефф Роуленд), Hypex, PS Audio, Tact (теперь Lyngdorf Audio) Bel Canto и многих других. Усилители класса D теперь даже встроены в домашние кинотеатры.

rowland-model-201-new_550pix

Вверху: Джефф Роуленд Модель 201

Класс D или Класс T

Согласно Википедии, «Усилитель класса T представляет собой конструкцию ИС усилителя звука. Вместо того чтобы быть отдельным «классом» усилителей, Class T является зарегистрированным товарным знаком для технологий усилителей Tripath. Управляющие сигналы в усилителях класса T могут быть рассчитаны с использованием цифровой обработки сигналов или полностью аналоговых методов ». Затем страница перейдет к деталям, но я не буду приводить здесь все это.Итак, кажется, что большинство переключающих усилителей относятся к классу D, некоторые ошибочно называются классом T, а некоторые действительно относятся к классу T.

rowland-model-201-1_550pix

Вверху: Джефф Роуленд Модель 201 внутри

Но как насчет принципа работы?

Есть веские причины, по которым вы можете назвать усилители класса D аналоговыми, а не цифровыми.

Устройство, подающее питание на динамик, по определению является аналоговым. Аналоговый входной сигнал модулируется, но не является цифровым. Нет A-D и D-A преобразователей.Аналоговый вход, аналоговый выход, аналоговый. Не так ли?

Усилители

класса D называются переключающими усилителями, потому что они либо полностью включены, либо выключены. Там нет промежуточного. Выход переключается на очень высокую частоту, модулированную под музыку. Усилитель класса D выдает либо весь ток, доступный от его источника питания, либо ни одного. Напряжение не меняется, но меняется период, в течение которого оно включено. Чем дольше пульс, тем громче его эквивалентная громкость в результирующей музыке. Это называется широтно-импульсной модуляцией, которая также используется в цифровом формате.Что объясняет, почему вы могли ошибочно назвать усилители класса D цифровыми. Класс D также может использовать сигма-дельта-модуляцию, но сейчас я позволю этому пройти. В классе D музыкальный сигнал модулируется на очень высокой несущей частоте, которая может быть легко отфильтрована вместе с необходимым сглаживанием прерывистого сигнала для воссоздания приятного мягкого сигнала.

Этот метод очень отличается от обычного класса A / B, где имеется (пояснено в упрощенной форме) силовой транзистор, который питается сигналом низкого напряжения на одной ветви, огромный запас мощности на второй ветви и динамик на третья ногаВходной сигнал просто усиливается. Транзистор постоянно меняет свое выходное напряжение.

ps-audio-hca-2-hybrid-class-a-2_432pix

Вверху: PS Audio HCA-2

Конечно, есть исключения из правил. Например, компания Sharp создала встроенный усилитель с цифровыми входами и цифровым регулятором громкости, а Tact, теперь Lyngdorf Audio, также имеет полностью цифровой усилитель, хотя, конечно, на динамики подается аналоговый сигнал. Наконец, модули B & O также доступны с цифровыми входами.Но они все еще работают аналогичным образом.

tact-audio-millennium-mk3-digital-amplifier_550pix

Вверху: TacT Audio Millennium MK3

tact-tda-2200-front_550pix

выше: TacT TDA2200

Эффективность

Вот некоторые указания относительно эффективности. Цифры являются ориентировочными, а не абсолютными, но вы получите картину.

Класс A = 25% эффективности.
Класс AB = 50% эффективности
Класс D = выше 90% эффективности

Class A всегда потребляет одинаковое количество энергии, и для вывода 40 Вт на голодный динамик он потребляет около 100 Вт от сети.Поскольку класс D потребляет меньше тока из сети, можно использовать намного меньший трансформатор и производить намного меньше тепла.

tact-audio-millennium-mk3-digital-amplifier-intern-3_550pix

TacT Audio Millennium MK3 внутри

tact-audio-millennium-mk3-digital-amplifier-intern-1_550pix

.
Классы и классификация усилителей и их применения

В более ранние времена, до изобретения электронных усилителей, связанные углеродные микрофоны использовались в качестве сырых усилителей в телефонных ретрансляторах. Первым электронным устройством, которое практически усиливалось, была вакуумная трубка Audion, изобретенная Ли Де Форестом в 1906 году. Термин «усилитель и усиление» происходит от латинского слова ampificare для расширения или увеличения. Вакуумная трубка является единственным упрощающим устройством в течение 40 лет и доминировала в электронике вплоть до 1947 года.Когда первый BJT появился на рынке, он произвел еще одну революцию в электронике, и это первое портативное электронное устройство, такое как транзисторное радио, разработанное в 1954 году. В этой статье обсуждаются классы и классификация усилителей.

Что такое усилитель и классификация усилителей?

Просто усилители называются усилителями. Усилитель представляет собой электронное устройство, используемое для увеличения сигнала тока, напряжения и мощности. Функция усилителя заключается в использовании мощности от источника питания и большей высоты, он управляет выходным сигналом с помощью входного сигнала.Усилитель модулирует выходной источник питания на основе свойств входного сигнала. Усилитель совершенно противоположен аттенюатору, если усилитель обеспечивает усиление, следовательно, аттенюатор обеспечивает потери. Усилитель также является дискретной частью электрической цепи, которая продолжается с другим устройством.


Amplifier Усилитель Amplifier

Усилитель используется во всем электронном оборудовании. Усилители могут быть разделены на разные типы. Первый - частота улучшаемого электронного сигнала.Следующим является аудиоусилитель, который усиливает сигнал в диапазоне менее 20 кГц, а РЧ-усилитель усиливает радиочастотные диапазоны от 20 кГц до 300 кГц. Последний - это качество тока и усиление напряжения.

Существуют различные типы усилителей, в том числе усилитель тока, усилитель напряжения или усилитель с трансдуктанцией и усилитель с сопротивлением. В настоящее время большинство усилителей, используемых на рынке, являются транзисторами, но вакуумные лампы также используются в некоторых приложениях.

Классификация усилителей

Классификация усилителей показана ниже

  • Переменная входа и выхода
  • Общая клемма
  • Односторонняя и двусторонняя
  • Инвертирующая и неинвертирующая
  • Метод межступенчатой ​​связи
  • Диапазон частот
  • Функция
Переменная входа и выхода

В электронном усилителе используется только одна переменная, т. Е. Ток или напряжение. Это может быть ток или напряжение могут использоваться на входе или на выходе.Существует четыре типа усилителей, которые зависят от источника, используемого в качестве линейного анализа.

PCBWay PCBWay
931 Клемма

Классификация усилителя основана на клемме устройства, которая является общей для входной и выходной цепей.В биполярном переходном транзисторе есть три класса, а именно. общий эмиттер, общая база и общий коллектор. В случае полевого транзистора он имеет соответствующие конфигурации, такие как общий источник, общий затвор и общий сток. Общий излучатель наиболее часто обеспечивает усиление напряжения, приложенного между базой и излучателем. Входной сигнал находится между коллектором и эмиттером инвертирован по отношению к входу. Общая схема коллектора называется повторителем излучателя, повторителем источника и следом катода.

Односторонний и двусторонний

Усилитель, на выходе которого отсутствует обратная связь со стороны входа, называется односторонним. Односторонний усилитель входного импеданса не зависит от нагрузки, а выходной импеданс является независимым импедансом источника сигнала.

Усилитель, который использует обратную связь для подключения части выхода обратно к входу, называется двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки и выходного сопротивления источника сопротивления.Линейные односторонние и двусторонние усилители обозначаются как двухпортовые сети.

Инвертирующий и неинвертирующий

При этом в классификации усилителя используется фазовое соотношение входного сигнала к выходному сигналу. Инвертирующий усилитель выдает выходной сигнал на 180 градусов в противофазе с входным сигналом.

Неинвертирующий усилитель продолжает фазу формы входного сигнала, а излучатель является неинвертирующим усилителем. Повторитель напряжения называется неинвертирующим усилителем и имеет единичное усиление.

Метод межступенчатой ​​связи

Этот тип усилителя классифицируется с использованием метода связи сигнала на входе, выходе и между каскадами. Существуют разные типы методов в межкаскадном усилителе связи.

  • Усилитель с резистивно-емкостной связью
  • Усилитель с индуктивно-емкостной связью
  • Усилитель с преобразованной связью
  • Усилитель с прямой связью

Классы усилителей

Существуют различные типы классов усилителей, упомянутых в следующих

  • Класс A усилитель
  • усилитель класса B
  • усилитель класса C
  • усилитель класса D
  • усилитель класса AB
  • усилитель класса F
  • усилитель класса S
  • усилитель класса R
усилитель класса A

усилители класса A просты Разработаны усилители и в этом усилителе чаще всего используются усилители.По сути, усилители класса А являются лучшими усилителями класса из-за их низкого уровня искажений. Этот усилитель является лучшим в аудиосистеме и в большинстве аудиосистем используется усилитель класса А. Усилители класса A формируются устройствами выходного каскада, которые смещены для работы класса A. Сравнивая усилители других классов с усилителями класса А, мы имеем самую высокую линейность.

Class A AmplifierClass A Amplifier Усилитель класса A

Для достижения высокой линейности и усиления в усилителе класса A выход усилителя класса A должен быть постоянно включен.Следовательно, усилитель называется усилителем класса А. Идеальный ток нулевого сигнала на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки, необходимый для получения большего количества сигнала.

Преимущества
  • Устраняет нелинейные искажения
  • Имеет низкое пульсирующее напряжение
  • Не требует какой-либо частотной компенсации
  • Нет перекрестных и коммутационных искажений
  • Низкие гармонические искажения в усилителе напряжения и тока
Недостатки
  • Трансформаторы, используемые в этом усилителе, являются объемными и имеют высокую стоимость
  • Требуются два идентичных транзистора
Усилитель класса B

Усилители класса B представляют собой положительную и отрицательную половины сигналов, которые распределяются между различными частями схем, а выходное устройство постоянно включается и выключается.Усилители базового класса B используются в двух дополнительных транзисторах: полевом транзисторе и биполярном. Эти два транзистора каждой половины формы сигнала с его выходом выполнены в двухтактном типе. Отсюда у каждого усилителя только половина выходного сигнала.

Class B AmplifierClass B Amplifier Усилитель класса B

В усилителе класса B, если входной сигнал положительный, то транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор выключается. Если входной сигнал отрицательный, положительный транзистор выключается, а отрицательный смещенный транзистор включается.Следовательно, транзистор проводит половину времени, каким бы он ни был, как положительный или отрицательный полупериод входного сигнала.

Преимущества
  • Некоторое количество искажений в цепи дает большую выходную мощность на устройство из-за отсутствия четных гармоник
  • Использование двухтактной системы в усилителе класса B исключает четную гармонику
Недостатки
  • В усилителе класса B присутствуют высокие гармонические искажения
  • В этом усилителе нет необходимости в собственном смещении
Применения
  • Усилители класса B используются в недорогой конструкции
  • Этот усилитель является более значительным, чем усилитель класса A
  • Усилитель класса B страдает от сильных искажений при низком уровне сигнала
Усилитель класса AB

Класс AB является комбинацией усилителя класса A и класса B.Усилители класса AB обычно используются в усилителях мощности звука. Из схемы два транзистора имеют небольшое напряжение, которое составляет от 5 до 10% от тока покоя, и смещение транзистора чуть выше точки среза. Тогда устройство может быть полевым или двухполярным будет включено более половины цикла, но оно меньше одного полного цикла входного сигнала. Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит немного больше, чем полупериод проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Class AB AmplifierClass AB Amplifier Усилитель класса AB

Угол проводимости усилителя класса AB находится в диапазоне от 1800 до 3600, что зависит от точки смещения. Преимущество небольшого напряжения смещения заключается в последовательном сопротивлении и диоде.

Преимущества
  • Класс AB имеет линейное поведение
  • Конструкция этого усилителя очень проста
  • Искажение этого усилителя составляет менее 0,1%
  • Качество звука этого звука очень высокое
Недостатки
  • Рассеиваемая мощность этого усилителя генерирует тепло и требует большого количества радиатора
  • Этот усилитель имеет низкий КПД и средняя эффективность ниже 50%
Применения

Усилители класса AB используются в Hi-Fi системы.

Усилитель
класса C

Конструкция усилителя класса C отличается высокой эффективностью и плохой линейностью. В предыдущих усилителях мы обсуждали класс A, B и AB - линейные усилители. Усилитель класса C является сильно смещенным, поэтому выходной ток равен нулю более половины входного сигнала, а транзистор работает на холостом ходу в точке отсечки. Из-за серьезных искажений звука усилители класса C являются высокочастотными синусоидальными колебаниями.

Class C AmplifierClass C Amplifier Усилитель класса C
Преимущества
  • Эффективность усилителя класса C высокая
  • В усилителе класса C физический размер является низким для данной мощности o / p
Недостатки
  • Линейность усилителя класса C Низкая
  • Усилители класса C не используются в усилителях звука
  • Динамический диапазон усилителя класса C уменьшен
  • Усилитель класса C будет производить больше РЧ-интерфейсов
Применения

Этот усилитель используется в РЧ-усилители

Усилитель класса D

Усилитель класса D - это нелинейные переключающие усилители или ШИМ-усилители.Этот усилитель теоретически может достигать 100% КПД, и в течение цикла нет периода. Ток перекрытия сигналов напряжения и тока подается только с помощью транзистора, который находится во включенном состоянии. Эти усилители также называются цифровыми усилителями.

Class D AmplifierClass D Amplifier Усилитель класса D
Преимущества
  • Усилитель класса D имеет большую эффективность, более чем на 90%
  • В усилителях класса D имеется низкое рассеивание мощности
Недостатки

Конструкция класса D Усилитель сложнее, чем усилитель класса AB.

Приложения
  • Этот усилитель используется в звуковых картах мобильных устройств и персональных компьютеров
  • Эти усилители используются в автомобилях усилителей аудио сабвуфера.
  • В настоящее время в большинстве приложений используются эти усилители.
Усилитель класса F

Усилители F используются для повышения эффективности и выходного сигнала гармонических резонаторов в виде выходной сети и для формирования выходного сигнала в виде прямоугольной волны.Усилители класса F имеют эффективность более 90%, если используется бесконечная гармоническая настройка.

Class F AmplifierClass F Amplifier Усилитель класса F
Усилитель класса S

Усилители класса S аналогичны операциям усилителей класса D. Эти усилители являются нелинейными переключающими модовыми усилителями. Он преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с помощью дельта-сигма-модуляции. Он усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность с помощью полосового фильтра. Цифровой сигнал переключающего усилителя полностью включен или выключен, и его эффективность может достигать 100%.

Class S AmplifierClass S Amplifier Усилитель класса S
Усилитель класса T

Усилители класса T разработаны с типом цифровых коммутационных усилителей. В настоящее время эти усилители стали более популярными в качестве конструкции усилителя звука из-за расширения микросхемы DSP и многоканального усилителя звука. Этот усилитель преобразует сигнал из аналогового сигнала в цифровой сигнал широтно-импульсной модуляции, и усиление увеличивает эффективность усилителей. Усилители класса T представляют собой комбинацию сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB, а другой - эффективности усилителя класса D.

Class T Amplifier Class T Amplifier Усилитель класса T
Усилитель класса G

Улучшение Усилителя класса G является базовым для усилителя класса AB. Усилитель класса G используется в нескольких шинах питания различных напряжений. Автоматически переключается между питающими шинами при изменении входного сигнала. Переключение контактов уменьшает среднее энергопотребление, следовательно, потери мощности возникают из-за потерянного тепла. На схеме ниже показан усилитель класса G.

Class G Amplifier Усилитель Class G Amplifier класса G

В этой статье описывается классификация усилителей.Кроме того, по любым вопросам, если вы что-то пропустили, вы хотите узнать какую-либо информацию по какой-либо конкретной теме, пожалуйста, дайте мне знать, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вопрос для вас, Каковы функции различных типов усилителей?

Фото Кредиты:

.
A, B, AB, C, D и т. Д. »Электроника Примечания

Способ работы усилителя определяется его классом - широко используются классы усилителей, включая A, B, AB, C, D и другие.


Концепции дизайна усилителя Включает в себя:
Основные понятия Усилитель классов


Усилители

классифицируются в зависимости от способа их смещения и работы.

Классы усилителей, включая класс A, класс B, класс AB, класс C и т.п., широко распространены при рассмотрении характеристик усилителей и их конструкции.

Класс усилителя выбран в соответствии с общими требованиями. Различные классы усилителей обеспечивают разные характеристики, позволяя усилителю работать определенным образом, а также с уровнем эффективности.

Обзор классов усилителей

Различные классы усилителей обеспечивают разные рабочие характеристики. Это делает разные типы усилителей подходящими для разных ситуаций. Сводная таблица их различных характеристик приведена ниже.


Вход Выход Зависимый источник Тип усилителя Блоки усиления

I

Управление
0 Источник тока CCCS
Усилитель тока Unitless

I

В

Источник напряжения с управлением по току CCVS Усилитель с транс-сопротивлением Ом

В

Источник напряжения с управляемым напряжением VCCS Усилитель проводимости Trans 9009 Siemens

В

В

Источник напряжения с управляемым напряжением VCVS Усилитель напряжения Без блока
Обозначение класса усилителя Усилитель
и краткое описание характеристик
Класс Описание угол проводимости θ
Класс A Проводимость в течение полного 360 ° цикла θ = 2π
класс B Проводимость происходит за половину цикла, то есть за 180 ° θ = π
класс AB Проводимость происходит чуть больше половины цикла, т.е.е. чуть больше 360 ° θ <θ <2π
класс C Проводимость происходит менее чем на 180 ° цикла, но это создает искажение θ <π
Классы от D до T Эти классы усилителей используют методы нелинейного переключения для повышения эффективности. N / A

усилители класса A

Усилитель класса А смещен так, что он проводит в течение всего цикла сигнала.Он проводит все время, даже для очень слабых сигналов или при отсутствии сигнала.

Усилитель класса A по своей природе является наиболее линейной формой усилителя, и его обычно смещают для обеспечения того, чтобы выходной сигнал самого устройства, прежде чем он проходил через соединительный конденсатор или трансформатор, находился на половине напряжения на шине, что допускает отклонения напряжения одинаково по обе стороны от этой центральной точки. Это означает, что самый большой сигнал может быть размещен до того, как он достигнет верхней или нижней линии напряжения.

Обычно усилитель класса A начинает становиться нелинейным, когда сигнал приближается к любой шине напряжения, поэтому работа обычно не допускается в этой ситуации.

Для правильной работы усилителя в его состоянии класса A ток без сигнала на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки для пика любого сигнала.

Поскольку выходное устройство всегда проводит этот ток представляет собой потерю мощности в усилителе. Фактически максимальный теоретический КПД, которого может достичь усилитель класса А, составляет 50% с индуктивной выходной связью или только 25% с емкостной связью.На практике фактические полученные значения намного меньше, чем это по ряду причин, включая потери в цепи и тот факт, что сигналы обычно не остаются на своих максимальных значениях, где достигаются максимальные уровни эффективности.

Соответственно, усилитель класса A обеспечивает линейный выход с наименьшим искажением, но он также имеет самый низкий уровень эффективности.

усилители класса B

Усилитель класса B смещен так, что он проводит более половины формы сигнала.Используя два усилителя, каждый из которых проводит половину сигнала, можно покрыть весь сигнал.

Для достижения этого используются два активных устройства, и форма входного сигнала разделяется так, что одно активное устройство проводит в течение половины цикла ввода, а другое - в течение другой половины. Две половины суммируются на выходе усилителя для восстановления полной формы сигнала.

Иногда усилители класса B называются двухтактными, поскольку выходы активных устройств имеют фазовое соотношение 180 °.Однако в наши дни этот термин используется реже - он был очень распространен, когда использовались вакуумные трубки / термоэлектронные клапаны, и в последние годы этот термин вышел из употребления.

Эффективность намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемого перекрестного искажения, когда одна половина усилителя выключается, а другая вступает в действие. Это обусловлено нелинейностями, возникающими вблизи точки переключения, когда одно устройство включается, а другое выключается.Эта точка, как известно, нелинейна, и искажение особенно заметно для сигналов низкого уровня, где нелинейный участок кривой представляет гораздо большую часть общего сигнала.

Хотя максимальная теоретическая эффективность усилителя класса B составляет 78,5%, типичные уровни эффективности намного ниже.

усилители класса AB

Как и следовало ожидать, усилитель класса AB попадает между классом A и классом B. Он стремится преодолеть перекрёстное искажение, слегка включив транзисторы, так что они проводят чуть больше половины цикла и два устройства перекрываются небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая искажения кроссовера.

Этот подход означает, что усилитель жертвует определенным потенциалом эффективности для лучшей линейности - в точке пересечения выходного сигнала происходит гораздо более плавный переход. Таким образом, усилители класса AB жертвуют некоторой эффективностью для уменьшения искажений. Соответственно, класс AB является гораздо лучшим вариантом, когда необходим компромисс между эффективностью и линейностью.

Классы AB1 и AB2
Термоэмиссионные клапаны или вакуумные трубки широко использовались для мощных аудио- и радиочастотных линейных усилителей.Чтобы сохранить стоимость, вес и энергопотребление, усилители использовались в классе AB, и часто упоминались два подкласса усилителей: класс AB1 и AB2. Эти подклассы применимы только к технологии термоэлектронной или вакуумной трубки, поскольку они относятся к способу смещения сетки:

  • Класс AB1: Класс AB1 - это место, где сетка имеет более отрицательное смещение, чем в классе А. В классе AB1, клапан смещен, так что ток сетки не течет. Усилители этого класса также дают меньшие искажения, чем усилители класса AB2.
  • Класс AB2: Класс AB2 - это место, где сетка часто имеет более отрицательное смещение, чем в AB1, также размер входного сигнала часто больше. В этом классе сетка течет в течение части положительного входного полупериода. Обычная практика для точки смещения сетки класса AB2 быть ближе к отсечке, чем в классе AB1, а класс AB2 дает большую выходную мощность.

усилители класса C

Усилитель класса C смещен так, что он проводит намного меньше, чем половина цикла.Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достигать очень высоких уровней эффективности. Этот тип усилителя может использоваться для РЧ-усилителей, которые несут сигнал без амплитудной модуляции - его можно использовать для частотной модуляции без проблем. Гармоники, созданные усилителем, эффективно работающим в насыщении, могут быть удалены фильтрами на выходе. Эти усилители не используются для аудио приложений ввиду уровня искажений.

Усилители

класса C обычно используют одно активное устройство, которое хорошо смещено в свою отключенную область.При подаче сигнала верхние пики сигнала заставляют устройство работать с проводимостью, но, очевидно, только для небольшой части каждого цикла входной волны.

На выходе схема использует резонансный контур с высоким Q, L-C. Эта схема эффективно звонит после того, как на нее воздействует каждый импульс, так что на выходе содержится приближение к синусоиде. На выходе требуется фильтрация, чтобы уровень гармоник был достаточно низким.

Как правило, угол проводимости для транзистора значительно меньше 180 ° - часто в области 90 °.Уровни эффективности могут достигать 80%, но значения 66% являются более нормальными, если учитывать потери в цепи и т. Д.

Усилитель

Классы от D до T

Существует множество различных классов усилителей, которые, как правило, основаны на методах коммутации, а не на аналоговых подходах.

  • Усилитель класса D: В аудиоусилителе класса D используется технология коммутации внутри усилителя. Поскольку выходные устройства либо включены, либо выключены, усилители класса D теоретически могут достичь уровней эффективности 100%.В действительности фактические достигнутые уровни меньше, но тем не менее достигнутые уровни эффективности намного выше, чем у других аналоговых классов.

    Один из первоклассных усилителей класса D для аудио был представлен Sinclair в Великобритании примерно в 1964 году. Хотя эта концепция была хорошей в теории, усилитель не работал особенно хорошо, и когда он это делал, усилитель имел тенденцию вызывать большое количество помехи для местного радио и телевидения, поскольку меры предосторожности по ЭМС обычно не применялись к оборудованию в настоящее время.

  • Усилитель класса G: Класс G - это форма усилителя, в которой используется несколько источников питания, а не один источник питания. Для сигналов низкого уровня используется источник низкого напряжения, но по мере увеличения уровня сигнала используется источник высокого напряжения. Это постепенно приводится в действие до полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию, так как дополнительная мощность используется только тогда, когда она действительно требуется. Изменение более высокого напряжения питания может быть достигнуто без ущерба для точности выходного сигнала.Таким образом, усилитель способен обеспечивать как низкие уровни искажений, так и высокие уровни эффективности. Этот подход может быть сложным для разработки с нуля, но при правильной разработке он может работать хорошо. К счастью, сложность конструкции можно уменьшить, если использовать одну из множества звуковых ИС, использующих класс G.

В наши дни для дизайнера доступно гораздо больше рабочих классов усилителей. Современная кремниевая технология открыла намного больше дверей, но, несмотря на это, все еще наиболее широко используются основные три класса усилителей класса, класса B и класса C, с производным классом AB, который представляет собой нечто среднее между классами A и B.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы. , ,

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *