Усилитель звука а класса: Усилитель в классе А №11 с невероятной мощностью и качеством звука!

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны.Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A / B, в которых используется переключение шины напряжения и модуляция шины соответственно. В любом случае, в условиях низкого спроса в системе используется более низкое напряжение на шине, чем у усилителя класса A / B сравнимо номинальным номиналом, что значительно снижает потребление энергии; при возникновении условий высокой мощности система динамически увеличивает напряжение на шине (т. е. переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.

Сравнение топологий класса B и класса G (слева; изображение получено из звука.westhost.com) и Outlaw Model 2200, компактный, круто работающий усилитель класса G мощностью 200 Вт (справа).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах коммутации шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость. В наши дни это часто сокращается до некоторой степени с использованием сильноточных полевых МОП-транзисторов для выбора / изменения рельсов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей (обычно по одному устройству на рельс).Помимо затрат на коммутацию шины / модуляцию шины, также стоит отметить, что в некоторых усилителях класса G используется больше устройств вывода, чем в типичной конструкции класса A / B. Одна пара устройств будет работать в обычном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем другая пара остается в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, и активируется только по мере необходимости. В конце концов, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность делает это оправданным.Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкого энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором.

Класс D

Усилители класса D, часто ошибочно называемые «цифровым усилением», представляют собой зенит эффективности усилителя, причем в реальных условиях достигаются коэффициенты, превышающие 90%. Перво-наперво: почему его относят к классу D, если «цифровое усиление» неправильно? Это была просто следующая буква в алфавите, причем класс C использовался в неаудио приложениях.Что еще более важно, как возможна эффективность более 90%? В то время как все упомянутые выше классы усилителей имеют одно или несколько постоянно активных устройств вывода, даже когда усилитель фактически находится в режиме ожидания, усилители класса D быстро переключают устройства вывода между выключенным и включенным состоянием; Например, конструкции класса T, которые представляют собой реализацию класса D, разработанного Tripath, в отличие от формального класса, используют частоты переключения порядка 50 МГц. Устройства вывода обычно управляются широтно-импульсной модуляцией: прямоугольные волны различной ширины генерируются модулятором, который представляет аналоговый сигнал, который необходимо воспроизвести.При таком жестком управлении выходными устройствами теоретически возможен 100% -ный КПД (хотя, очевидно, недостижимый в реальном мире).

Пример полной мостовой схемы класса D (слева; получено с сайта sound.westhost.com) и усилителя IQ M300 класса D, чудо мощностью 300 Вт (справа).

Углубляясь в мир класса D, вы также найдете упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи.С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют сгенерированное цифровым способом управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что те из них, которые имеют контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП на передней панели. ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они, как правило, предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть (не очень) мелочь, связанная с выходным фильтром: обычно это L-C цепь (катушка индуктивности и конденсатор), помещенная между усилителем и динамиками, чтобы уменьшить шум, связанный с работой класса D.Фильтр имеет большое значение: некачественный дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, в которых на этом этапе не используется обратная связь, отклик может быть настроен на определенный импеданс, но когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от нагрузку на громкоговоритель он видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.

В конечном счете, сложность класса D имеет свои плюсы: эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется в виде тепла, требуется гораздо меньший отвод тепла. Более того, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и возможности снижения веса по сравнению с традиционными аналоговыми / линейными источниками питания. Взятые вместе, даже мощные усилители класса D могут весить всего несколько фунтов. Недостатком источников питания SMPS перед традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Наше ограниченное тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это верно, когда два усилителя мощности сравнимо номинальной мощности оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания был способен обеспечить более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, конструкции SMPS становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители следующего поколения класса D, использующие их.

Насколько эффективен типичный усилитель класса D по сравнению с обычным дизайном класса A / B?

Одним словом: чрезвычайно. В то время как эффективность усилителя класса A / B повышается по мере приближения к максимальной выходной мощности, конструкции класса D поддерживают высокий рейтинг эффективности в большей части своего рабочего диапазона; в результате эффективность в реальном мире еще больше склоняется в их пользу. Изображение любезно предоставлено sound.westhost.com.

Один усилитель, чтобы править всеми?

При правильной реализации любой из вышеперечисленных элементов, не относящихся к чистому классу B, может стать основой высококачественного усилителя.Вам недостаточно? Затем давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждого дизайна:

Класс усилителя	Типичный КПД	Плюсы	Минусы
А	~ 15-35%	Нет возможности кроссоверного искажения.	Неэффективность = нагрев Несимметричные конструкции, склонные к гудению и более высоким уровням искажений.
Б	~ 70%	Относительно высокий КПД.	Возможность значительного кроссоверного искажения и снижения качества воспроизведения
А / Б	~ 50-70%	Более эффективен, чем класс A. Относительно недорого. Кроссоверное искажение может быть спорным.	КПД хороший, но не большой.
G&H	~ 50-70%	Повышенная эффективность по сравнению с классом A / B.	Дороже, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достигаются при меньшем форм-факторе.
Д	> 90%	Максимально возможная эффективность Легкий вес.	Широтно-импульсные модуляторы, работающие на относительно низких частотах, могут поставить под угрозу воспроизведение высокочастотного звука. В некоторых конструкциях качество звука различается в зависимости от нагрузки на динамик.

Помимо потенциальных проблем с производительностью (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущи классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости или эффективности.На сегодняшнем рынке доминирует класс A / B, и не зря: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для приложений с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы подачи мощности с помощью таких усилителей, как 1000-ваттный моноблок Emotiva XPR-1, они обращаются к конструкциям класса G / H и класса D, чтобы их усилители не использовались в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса A, которые могут простить неэффективность в надежде на более чистый звук.

Резюме

В конце концов, классы усилителей не обязательно так важны, как некоторые могут приписать. Да, есть важные различия, особенно когда дело касается стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, веса. Безусловно, усилитель класса A мощностью 500 Вт — плохая идея, если только идея использования вашего усилителя в качестве духовки не нравится вам. С другой стороны, различия между классами сами по себе не определяют качество звука. В конце концов, все сводится к проектированию и внедрению; в Audioholics нам посчастливилось услышать (и измерить) отличные примеры усилителей всех классов.Есть любимый? Обязательно озвучивайте свое мнение на наших форумах.

Verdinut сообщений сентябрь 19, 2018 21:20

https://www.qsc.com/cinema/products/power-amplifiers/dca-series/

Я использую три DCA 1222 и один DCA 1824 в моем Система HT.

Matthew J Poes сообщений сентябрь 19, 2018 20:28

Я довольно часто делал самодельные усилители, собирая их либо из предварительно подготовленных модулей, комплектов, либо даже из моих собственных разработок. Я построил множество линейных источников питания, включая умножители емкости и источники CLC с катушками индуктивности размером с тороидальный трансформатор 1 кВА. Я измерил их поведение с помощью компьютерного моделирования.

Есть качество SMPS, которое, я думаю, заслуживает упоминания и обсуждения. Им нужно немного любви.

Питание SMPS регулируется по своей природе. Это означает, что напряжение не падает с нагрузкой. Вместо этого он регулирует напряжение, пока оно не достигнет своего предела. Это хорошо для поддержания выходной мощности при различных условиях нагрузки и в очень динамичных условиях. Это также гарантирует, что искажения усилителя и шум не вырастут внезапно на пределе.Линейные источники питания без регулирования не могут этого сделать и, следовательно, должны быть либо очень большими с огромной емкостью, либо использовать сложный метод CLC, как это сделал я, который действительно дорог и очень тяжел.

Ограничение SMPS состоит в том, что вы не можете рассматривать их максимальный номинальный ток выдачи или номинальную мощность так же, как линейные. Если рассматривать его как усилитель, то линейные софт-клипсы там, где SMPS-клипы жесткие. Когда линейный источник питания приближается к своему пределу, он просто постепенно понижает напряжение по мере увеличения тока (что на самом деле нормально для нагрузок с низким импедансом), пока не достигнет предела.Также увеличивается пульсация, поэтому рекомендуется использовать большую емкость, чтобы этого избежать. SMPS не снижает напряжение, он просто достигает своего предела, и срабатывает ограничитель тока. Это приводит к меньшему запасу мощности. Я построил усилитель мощностью 300 Вт на канал (класс A / B) и включил источник SMPS мощностью 1200 Вт, предназначенный для использования звука. Он не мог даже достичь 300 Вт (среднеквадратичное значение) до срабатывания ограничителя. Тем не менее, тороидального трансформатора 1,2 кВА и емкости 40 000 мкФ было бы достаточно при линейном питании, чтобы превысить этот рейтинг. Вместо этого усилителю требовалось вдвое больше источника питания, чтобы достичь ожидаемой мощности.Другими словами, SMPS не обязательно должен делать усилитель менее динамичным, производителям просто нужно начать использовать гораздо более мощные усилители. Вроде вдвое больше.

Еще одним приятным атрибутом SMPS является то, что их пульсации напряжения находятся на одном уровне с лучшими возможными линейными источниками питания с расширенной фильтрацией. Никакой базовый линейный источник питания RC не может даже сравниться. Хотя многие могут указывать на шум переключения в SMPS, на самом деле в современных, хорошо спроектированных SMPS звукового уровня нет значимого шума переключения на выходе.У них действительно высокое радиочастотное излучение, но оно легко отфильтровывается. В конце концов, я думаю, нам всем нужны SMPS во всех усилителях.

ski2xblack сообщений декабрь 28, 2017 14:04

JRoss, пост: 1226221, участник: 84460
Привет, Стив, это, наверное, странный вопрос для вас, ребята, потому что это 12 вольт. Усилитель класса A, AB и т. Д. Вы когда-нибудь слышали о классе A / G? Может оно существует? В моей коллекции есть предположения середины и конца 80-х с нанесенной по трафарету схемой A / G.Не могу найти на нем ничего. Так вопрос, может ли это быть? Дай мне знать. Thx

Anywho, у меня есть усилители класса a / b и g (h?), А также пара ламп SE, которые не особенно хорошо усиливаются, но они точно обеспечивают шоколадные средние частоты.

Verdinut сообщений Декабрь 28, 2017 12:20

Самые мощные усилители QSC Audio работают в классе AB при более низких уровнях выходного сигнала, а затем переключаются на шину с более высоким напряжением для работы класса H.

Steve81 сообщений от 28 декабря, 2017 11:31

JRoss, пост: 1226221, участник: 84460
Итак, вопрос, может ли это быть? Дай мне знать. Thx

Какой класс усилителя лучший?

Звуковые усилители доступны в различных классах, которые различаются с точки зрения конфигурации и электрических компонентов, причем усилители класса A являются наиболее распространенными из-за их заметной простоты.Усилители класса А, как известно, обеспечивают максимальную амплитуду и высокую линейность.

Но чем этот класс отличается от других классов усилителей, таких как B, AB, C и D? Кроме того, для каких вариантов использования они наиболее оптимальны? В этой статье делается попытка пролить свет на классы усилителей, уделяя особое внимание усилителям класса А. К концу этой статьи вы сможете определить, подходит ли усилитель класса A для ваших нужд.

Классы усилителей, такие как класс A, AB, C и D, обычно обозначаемые одной или двумя буквами, помогают описать топологию усилителя мощности, от его рабочих характеристик до его характеристик.Это не система оценок, как вы могли догадаться. Тот факт, что усилитель мощности имеет оценку A, не означает, что он по своей сути выше по качеству, чем другой усилитель, которому присвоена другая оценка.

Классификация усилителей важно учитывать перед принятием решения о покупке, потому что каждый класс дает различную реакцию, когда через него проходит ток. На рынке доступно множество классов усилителей, но наиболее популярными являются классы A, B, AB, C и D. Современные усилители, использующие топологию переключения и технологию PWM, относятся к другим классам.

Вы также должны иметь в виду, что некоторые классы усилителей являются просто улучшенными вариантами традиционных классов. Например, усилители класса G в значительной степени являются усилителями класса B или класса AB, но с некоторыми модификациями.

Как конкретно классифицируются усилители? Что ж, все сводится к их пропорции входного цикла, когда через них проходит электрический ток. Если вы не знаете, что такое входной цикл, это производный угол синусоидальной волновой проводимости на входе усилителя. Этому углу уделяется много внимания, потому что он прямо пропорционален времени работы усилителя в течение полного цикла.

Например, если у вас есть усилитель, который всегда включен на протяжении всего цикла, его угол проводимости будет составлять 360 градусов, что означает, что усилитель использовал весь входной сигнал. Это также означает, что активный элемент последовательно проводит через весь период синусоидальной волновой проводимости на входе.

Теперь, когда у вас есть базовое представление о том, как классифицируются усилители мощности, давайте прольем свет на некоторые из наиболее известных традиционных классов усилителей, чтобы вы полностью осознали различия между ними

Усилители мощности класса A представляют собой модели с углом проводимости 360 градусов, что означает, что они используют весь входной сигнал и остаются активными в течение всего цикла.Эти усилители отличаются высокой линейностью и высоким коэффициентом усиления. Поскольку усилители класса A всегда включены, они отлично справляются с передачей высоких частот, а также с образцовой стабильностью контура обратной связи.

С точки зрения конструкции усилители класса A являются одними из самых простых в сборке, поскольку в них используется минимальное количество компонентов. Означает ли это, что усилители класса А идеальны? Нисколько. У каждого класса усилителей есть свои плюсы и минусы. В случае усилителей класса A основным недостатком является то, что они способствуют значительным потерям мощности, поскольку они постоянно проводят ток.

Высокие потери мощности означают повышенное нагревание, а это означает, что усилителям класса A требуется больший объем радиатора для предотвращения повреждений. КПД усилителей класса A составляет от 25% до 30% при использовании обычной конфигурации, поэтому он относительно низок по сравнению с другими классами. Однако вы можете повысить эффективность до 50%, используя конфигурацию с индуктивной связью.

Более того, поскольку усилители класса A демонстрируют высокую линейность, они обязательно должны вносить некоторый уровень искажений и шума.Если вы хотите минимизировать искажения и шум, вы должны особенно критически относиться к конструкции смещения усилителя. Проще говоря, усилители класса A оптимальны для усиления слабого сигнала.

Вместо использования одного активного устройства, такого как усилители класса A, усилители класса B используют два устройства для обеспечения комбинированного управления током и 180 градусов цикла проводимости. Каждый привод активен только в течение половины цикла проводимости, что помогает значительно повысить эффективность.Точнее говоря, теоретически эффективность усилителей класса B составляет около 60%.

Повышение эффективности усилителей класса B помогает минимизировать рассеивание тепла, что означает, что вам не нужно много места для радиатора. Основной недостаток использования усилителя класса B — кроссоверные искажения. Этот кроссовер является результатом того, что каждое активное устройство отвечает за обеспечение половины синусоидальных волн, которые в конечном итоге объединяются на выходе.

В то время как искажения можно минимизировать в случае усилителя класса A, его трудно минимизировать с помощью усилителя класса B, потому что, когда одно из устройств активно, другое устройство остается полностью неактивным.Усилители класса B идеальны для большинства сценариев, за исключением тех, которые полагаются на прецизионное усиление звука.

Усилители класса AB разработаны специально для преодоления кроссоверных искажений, характерных для усилителей класса B. Как следует из названия, в этих моделях используется промежуточный угол проводимости усилителей A и B. Этот класс в основном сочетает в себе лучшее от усилителей A и B. Он имеет ту же конфигурацию, что и усилители класса B, в том смысле, что в нем используются два активных элемента.

Каждый элемент отвечает за проводимость на протяжении половины каждого цикла, но они смещены таким образом, что они не полностью неактивны в момент перехода. Вместо того, чтобы быть полностью неактивным после завершения своей половины цикла, каждый элемент выполняет очень небольшой ввод. Это помогает значительно уменьшить кроссовер в мертвой зоне.

В такой конфигурации усилители класса AB должны быть безупречными, верно? Неправильный. Линейность усилителей AB довольно посредственная, поэтому их эффективность значительно снижается.Это по-прежнему больше, чем эффективность усилителей класса A, но меньше, чем у усилителей класса B. Некоторые усилители AB имеют резисторы малой стоимости, которые помогают стабилизировать ток покоя для минимизации искажений.

Класс C — еще один традиционный класс усилителей, который существенно отличается от всех других классов усилителей с точки зрения работы. На самом деле он демонстрирует два разных режима работы: настроенный и ненастроенный.

Он демонстрирует гораздо больший КПД, чем вышеупомянутые классы, достигая максимума 80%.Такой высокой эффективности можно достичь при усилении радиочастот. Для случаев использования, отличных от усиления радиочастоты, ожидайте КПД 60% -70%.

Что касается угла проводимости, то он меньше 180 градусов. При работе без настройки усилитель класса C исключает свой тюнер из процесса усиления. Однако этот режим сопровождается большим количеством искажений, которые могут отпугнуть некоторых людей.

С другой стороны, в случае воздействия на схему настроенной нагрузки уровень выходного смещения ограничивается средним выходным напряжением.Вот почему это называется «зажимной операцией». Сигнал в этом режиме не загроможден искажениями, потому что он сохраняет свою правильную форму.

Выбор лучшего класса полностью зависит от ваших потребностей. Если вы ищете высочайшее качество звука, лучше всего подходят усилители класса A, но они наименее эффективны. Усилители класса B — это шаг вперед по сравнению с усилителями класса A с точки зрения эффективности, но их главный недостаток — искажения.

Class AB обеспечивает превосходный баланс между эффективностью и качеством, однако они немного дороги. Если вы ищете максимально возможную эффективность, мы советуем выбрать усилитель класса D. Однако высокая точность воспроизведения — не один из сильных сторон этого класса.

Мы исключили усилители класса D из нашего обсуждения различных классов усилителей, потому что мы хотели иметь равную между ними и усилителями класса A. Как мы уже установили, усилители класса A являются лучшими моделями, когда дело доходит до качества звука, тогда как усилители класса D являются лучшими с точки зрения эффективности.Их эффективность в некоторых случаях может доходить до 90%!

Усилители класса D уникальны по сравнению с другими классами в том смысле, что их бортовая схема способна генерировать сверхвысокочастотные импульсы, которые могут превышать 100 кГц. Более того, каждый импульс модифицируется входным сигналом. Как правило, чем шире пульс, тем громче должен быть сигнал. Это технология, которая называется широтно-импульсной модуляцией или сокращенно ШИМ.

Когда эти импульсы проходят через выходные транзисторы (MOSFET), создается невероятно высокий выходной сигнал.Транзисторы либо работают на полном газу, либо вообще не работают, поскольку получают импульсы постоянного тока. Это помогает обеспечить максимальную эффективность до 90%, как мы только что упомянули.

Фильтр нижних частот помогает сгладить выходной сигнал после усиления, чтобы обеспечить непрерывную аналоговую выходную мощность. Фильтр также помогает устранить помехи, возникающие из-за высокочастотных импульсов постоянного тока. Это, к сожалению, вызывает заметные искажения, поэтому аудиофилы не очень любят использовать усилители класса D и предпочитают использовать усилители класса A или класса AB.

Усилители класса D предпочтительнее для целей усиления звука и профессиональных акустических систем, потому что точность воспроизведения в таких ситуациях не так важна. Кроме того, если вы цените компактность, вам понравятся усилители класса D, потому что они маленькие и легкие. Кроме того, они работают намного холоднее, чем усилители других классов, при том же уровне мощности.

Чтобы определить КПД усилителя мощности, вы должны знать входную и выходную мощность усилителя.Чтобы определить входную мощность вашего усилителя, используйте формулу P = V * I , где V, — напряжение усилителя, а I — ток, протекающий через него. Для измерения этих значений вам понадобится мультиметр или осциллограф.

После этого необходимо определить выходную мощность по формуле P = V 2 / R , где V2 — выходное напряжение, а R — сопротивление. Поскольку у вас уже есть ток, вы можете определить сопротивление, разделив напряжение на ток ( R = V / I ).

Наконец, чтобы определить эффективность вашего усилителя, используйте формулу η max = (Pout / Pin) * 100 , где η max — это КПД, Pout — выходная мощность, и Контакт — входная мощность. Все просто, правда?

Не существует такой вещи, как универсальный идеальный усилитель звука. У каждого есть свои преимущества и недостатки. В следующих параграфах освещаются плюсы и минусы усилителей класса А.

• High Fidelity — усилители класса A способны выдавать выходные сигналы, которые точно соответствуют входному сигналу, что гарантирует высокое качество звука.
• Простая конструкция — в усилителях класса A используется один активный элемент, а их общая конструкция довольно проста и понятна.
• Отличная высокочастотная характеристика — усилители класса A содержат одно активное устройство, которое всегда включено, что означает, что ему не требуется время для включения активного устройства.Это помогает обеспечить превосходный отклик на высоких частотах.
• Отсутствие кроссоверных искажений — усилители класса A полагаются на одно активное устройство, выполняющее весь цикл входного сигнала, поэтому кроссоверные искажения отсутствуют.

• Громоздкая конструкция — даже несмотря на несложную конструкцию, усилители класса A, как правило, имеют громоздкую конструкцию из-за необходимости в большом радиаторе и источнике питания. Это также влечет за собой более высокую стоимость эксплуатации.
• Наименьшая эффективность — усилители класса A имеют диапазон эффективности 25% -30%, что немного по сравнению с другими классами.

Надеюсь, информация, представленная в этой статье, дала вам твердое представление о мире классов усилителей и помогла вам определить, какой класс подходит для ваших требований. Если у вас есть какие-либо вопросы, дайте нам знать.

Объяснение усилителей класса A

© 1999 Род Эллиотт (ESP)
Последнее обновление страницы 02 апр 2005

Недавно произошло возрождение двух «древних» технологий — ламповых (ламповых) усилителей и систем класса А.Большой вопрос … есть ли разница? Это обсуждение сосредоточено на усилителе класса A и объясняет (или пытается), чем он отличается от обычного усилителя мощности.

Зачем кому-то создавать или покупать усилитель, который ооочень неэффективен? Усилитель мощности класса A обычно потребляет от 1/2 до примерно 1,5 пикового тока динамика в состоянии покоя (т.е. пока он просто сидит и ничего не делает).

Для сравнения: для жалких 8 Вт на 8 Ом среднеквадратичный ток составляет 1 А.Пиковый ток составляет чуть более 1,4 ампер, поэтому типичный 8-ваттный усилитель класса A потребляет непрерывно от 700 мА до 2 ампер. Это соответствует рассеиваемой мощности в состоянии покоя (без сигнала) от 17 до 48 Вт при напряжении питания 24 В (+/- 12 В). В лучшем случае такой усилитель будет иметь КПД менее 35% при полной мощности — в худшем — 15% или меньше.

Основная предпосылка усилителя класса A заключается в том, что выходное устройство (устройства) должны постоянно проводить (через 360 градусов форма сигнала).Это означает, что в простейшей форме силовые устройства должны проводить постоянный ток, который превышает максимальный пиковый ток нагрузки (громкоговоритель). Если использовать для всех дальнейших расчетов уровень мощности 20 Вт (вряд ли электростанция), то можно увидеть всю картину.

Напротив, выходные устройства типичного усилителя мощности класса AB проводят ток только примерно на 182 градуса (при полной мощности), что означает, что большую часть продолжительности сигнала проводит только одно или другое устройство. Другой выключен.Так часто упоминаемое «кроссоверное искажение» не имеет ничего общего с делителем частоты в акустической системе, а создается, когда сигнал «пересекает» точку 0 В (см. Рисунок 3).

Рисунок 1 — Цикл синусоидальной волны

Давайте кратко рассмотрим некоторые «классы» усилителей мощности, чтобы у нас была вся информация:

• Класс-A Выходные устройства проводят через 360 градусов входного цикла (никогда не выключаются) — Возможно одно выходное устройство.Устройство (-а) проводят для всей формы волны на Рисунке 1.
• Класс-B Выходные устройства проводят на 180 градусов (1/2 входного цикла) — для аудио должны использоваться два выходных устройства в двухтактном режиме (см. Класс-AB)
• Class-AB На полпути (или частично) между двумя приведенными выше примерами (обычно от 181 до 200 градусов) — также требуется двухтактная операция для звука. Проводимость каждого выходного устройства показана на рисунке 1.
• Класс-C Выходные устройства проводят под углом менее 180 градусов (обычно от 100 до 150 градусов) — обычно для радиочастот — обычно не могут использоваться для звука! Этот звук слышен, когда один из выходные устройства в аудиоусилителе имеют разрыв цепи! См. Рисунок 1, на котором показано время, в течение которого устройство вывода проводит (предполагается несимметричный режим, и да, это работает для RF).

  Когда я впервые написал эту статью, я полностью забыл о четырехканальном усилителе с демпфированием тока, в котором используется маломощный «хороший» усилитель с двухтактным усилителем класса C для питания высоких частот. токи, необходимые для большой мощности. Хотя они пользовались значительной популярностью, похоже, они исчезли. Об их существовании мне напомнила статья Дугласа Селфа («Классовое различие», в мартовский выпуск журнала Electronics World за 1999 г.), в котором он совершенно справедливо указывает, что нынешний самосвал (по крайней мере частично) относится к классу C.

• Класс D Квазицифровое усиление. Использует широтно-импульсную модуляцию высокочастотной (прямоугольной) несущей для воспроизведения аудиосигнала — хотя мои первоначальные комментарии были действительны. когда это было написано, с тех пор произошли очень значительные успехи. Сейчас производится несколько очень хорошо звучащих усилителей класса D, и они достойны отдельной статьи.

Существует много топологий усилителей, о которых я не упоминал выше, главным образом потому, что большинство из них либо слишком причудливы, не заслуживают комментариев, либо слишком сложны для простого объяснения.Из них Class-G и Class-H используют переключение и модуляцию источника питания (соответственно). Это обеспечивает больший, чем обычно, КПД и меньшее рассеивание, но оба они по сути являются конструкциями класса AB.

Хотя многие аудиоусилители можно назвать Классом B, обычно это не так. Практически все без исключения они относятся к классу AB, хотя большинство из них находится на нижнем конце (проводимость, возможно, составляет 181 ° для каждого устройства). Большинство усилителей мощности работают в классе A до примерно 5-10 мВт, после чего они переходят в класс B.Отличная мощность класса А до более высокой, на 500 мВт и более.

В отделе устройств. В оставшейся части этой статьи я буду использовать биполярные транзисторы для силовых устройств, поскольку они обладают очень желательными характеристиками для этого приложения. Они также намного более линейны, чем полевые МОП-транзисторы, и некоторые из новых биполярных устройств являются выдающимися в этом отношении. Обратите внимание, что обычно используются два типа полевых МОП-транзисторов — боковые устройства предназначены для аудио, и хотя они менее линейны, чем биполярные транзисторы, они действительно могут сделать очень хороший усилитель (см. Проект 101).Полевые МОП-транзисторы с переключением мощности (IMHO) не подходят для использования в аудио, за исключением случаев, когда требуется очень высокая мощность и не требуется экстремальная линейность.

При разработке усилителя нас интересуют пиковое напряжение и ток, поскольку, если они не соблюдаются, требуемые среднеквадратичные значения не могут быть достигнуты. Отношение среднеквадратичного значения к пику (для синусоидальной волны) представляет собой квадратный корень из 2 (1,414), поэтому значения среднеквадратичного значения необходимо умножить на эту константу, чтобы получить пиковые значения напряжения и тока. (См. Рисунок 1, чтобы увидеть соотношение между пиковым и среднеквадратичным напряжением.)

Так были определены значения в таблице. Напряжение питания должно быть немного выше, чем фактическое пиковое напряжение динамика, потому что выходные устройства (транзисторы) не идеальны, и некоторое напряжение будет потеряно даже при их полном включении. (Если использовать полевые МОП-транзисторы, потери могут быть намного больше, если не используется дополнительный источник питания.)

Ок. Мы определили, что пиковый ток динамика составляет 2,25 А, поэтому в простейших конструкциях класса A для этого потребуется ток покоя, равный 2.25 ампер. Учитывая, что напряжение составляет ± 20 Вольт, это означает, что выходной каскад мощности должен будет рассеивать 40 × 2,25 = 90 Вт (45 Вт на устройство вывода).

Рисунок 2 — Базовые усилители класса A

На рис. 2 показано, как может выглядеть простой усилитель класса А. Источник тока (левая цепь) представляет собой простую схему, которая обеспечивает постоянный ток независимо от нагрузки на его выходе. Выходной транзистор «сбрасывает» любой ток, который не нужен нагрузке (динамику), поэтому, когда он полностью выключен, весь выходной ток источника проходит через динамик.И наоборот, когда транзистор включен, ток динамика протекает через выходной транзистор (а также ток от источника тока!), Поэтому его ток будет варьироваться от почти 0 ампер до максимальных 4,5 ампер для нашего примера. Когда нет входного сигнала, ток выходного транзистора должен точно соответствовать выходному току источника тока. В противном случае разница вызовет смещение постоянного тока, вызывающее асимметричное ограничение. Допускается (вообще говоря), чтобы на клеммах громкоговорителей присутствовал абсолютный максимум 100 мВ постоянного тока — это равно 1.67 мВт постоянного тока для системы с сопротивлением 8 Ом, при условии, что сопротивление звуковой катушки постоянному току составляет 6 Ом. (Мощность = В² / Импеданс). Конденсатор в выходной цепи снижает это значение почти до нуля.

Когда используется индуктор, общий КПД схемы повышается. Катушка индуктивности является реактивным компонентом, поэтому она «высвобождает» накопленную энергию при частичном выключении транзистора. Другое преимущество катушки индуктивности состоит в том, что размах выходного напряжения удваивается при том же напряжении питания. Недостатком (конечно) является то, что индуктор большой, тяжелый и должен иметь воздушный зазор, чтобы сердечник не насыщался из-за составляющей постоянного тока.Ток покоя через транзистор и катушку индуктивности должен быть таким же, как пиковый ток нагрузки. Например, при питании 20 В и нагрузке 8 Ом ток покоя должен составлять 2,5 А для обеспечения линейной работы. Эта схема была распространена в ранних гибридных (ламповых и транзисторных) автомобильных радиоприемниках.

Эти простые модели не подходят для общего использования, поскольку они тратят слишком много энергии, хотя во многих усилителях класса A по-прежнему используется принцип индуктивности (в ламповых усилителях SET (несимметричный триод) вместо индуктора используется трансформатор, но принцип без изменений).Многие другие усилители класса A используют текущую версию источника, но эффективность может достигать максимум 25%.

Следующим шагом является приведение в действие источника тока примерно при 1/2 пикового тока динамика и модуляция его выходного тока, чтобы гарантировать, что и источник тока, и выходное устройство усилителя мощности проводят в течение всего цикла сигнала, но могут изменять их ток соответствующим образом. Это повышает эффективность (которая остается ужасной, но немного меньше) и снижает рассеиваемую мощность до более приемлемых уровней.

Простой усилитель класса A, описанный Джоном Л. Линсли-Худом, и очень похожий на вид усилитель Death of Zen (DoZ) на этих страницах используют этот последний подход, и это разумный вариант различных конструкций класса A. Например, усилителю потребуется всего (?) Рассеивать около 50 Вт в режиме ожидания, поскольку ток покоя снижается примерно до 1,2 А.

Другая версия усилителя класса A выглядит точно так же, как стандартный усилитель мощности класса AB (класс B), за исключением того, что ток покоя увеличивается до чуть более 1/2 от пикового тока динамика.Некоторые думают, что это не «настоящий» усилитель класса А. Это — это настоящий класс A , и его лучше всего описать как двухтактный (в отличие от одностороннего). Если ток смещения недостаточно высок для фактической реактивной нагрузки динамика (а не для указанной номинальной резистивной нагрузки), все же возможно, что один или другой транзистор отключится в какой-то части цикла сигнала. Это произойдет при гораздо более высоком уровне мощности, чем обычно, но если это произойдет, то усилитель перестанет соответствовать классу A.

В качестве расширения вышесказанного можно разработать усилитель, который будет замечательно похож на обычный усилитель класса AB, но с дополнительной схемой, смещенной таким образом, что выходные транзисторы никогда не отключаются. Этот метод также можно использовать с Class-AB, и он предположительно уменьшает искажения кроссовера. Я не использовал этот метод, поскольку, по моему опыту, кроссоверные искажения в хорошо спроектированном выходном каскаде должны быть достаточно низкими, чтобы не было необходимости в дополнительной сложности.Project 3B почти идентичен Project 3A, за исключением того, что ток покоя увеличен, поэтому усилитель работает в классе A.

Последние три «варианта» вызывают модуляцию тока в каждой шине питания, поэтому это не постоянный ток, который ожидается от усилителя класса A, а форма волны, которая изменяется в зависимости от сигнала. При правильной конструкции и смещении выходные устройства всегда работают, но блок питания должен выдерживать переменную нагрузку. Я не исследовал это полностью, но это может немного усложнить конструкцию источника питания из-за переменного тока нагрузки.Тесты, которые я провел с усилителем DoZ, не показали какого-либо слышимого влияния на качество звука — при условии, что источник питания рассчитан на работу с вариациями без каких-либо проблем.

На самом деле идея о том, что усилитель класса A потребляет постоянный постоянный ток от источника питания, верна только в одном случае . Несимметричный усилитель, использующий источник тока в качестве нагрузки коллектора, будет потреблять непрерывный установившийся ток, но только , если он использует однополярный источник питания. В случае двойного источника питания один и тот же усилитель будет потреблять непрерывный ток от одного источника и переменный ток от другого.(Я благодарю Джеффа Мосса за указание на это — деталь, о которой когда-либо упоминали немногие опубликованные проекты!)

Усилитель, который использует фиксированный источник тока (скажем) 2,5 А от положительного источника питания, будет потреблять 2,5 А независимо от нагрузки или уровня сигнала, но только от положительного источника питания. Отрицательный ток питания будет изменяться от 2,5 А при отсутствии сигнала, но будет почти нулевым при максимальном положительном размахе, когда нижний транзистор выключен, и ток течет от источника тока к нагрузке.При максимальном размахе отрицательного сигнала отрицательный ток питания будет почти в два раза больше тока покоя, поскольку нижний транзистор теперь несет ток как от нагрузки , так и от источника тока.

На эту «маленькую» деталь, кажется, мало ссылались ни в одной из статей, которые я читал, но она будет иметь очень большое значение для источника питания. В этом отношении я не считаю, что односторонняя версия должна работать от двойного источника питания. Если для вас так важно исключить конденсатор связи, я предлагаю либо использовать двухтактную конструкцию класса A, либо создавать отдельные источники питания для каждой полярности.

Есть некоторые свидетельства (я снова обращаюсь к Дагу Селфу), указывающие на то, что искажения «настоящего» усилителя класса AB часто будут хуже, чем у усилителя класса B, поскольку переходные процессы переключения больше из-за более высокий коэффициент усиления выходных устройств при умеренных (от 0,5 до 1,5 А) токах. Я не смог проверить это, и проведенные мною тесты показывают, что есть определенные преимущества в более высоких токах покоя, при условии, что ток выбран достаточно тщательно.

Одна из самых больших проблем усилителей класса A заключается в том, что простой источник питания, используемый с обычными усилителями класса AB, обычно нам не подходит.Причина в том, что пульсации переменного тока на шинах питания постоянного тока вводятся в усилитель и проявляются в виде гула (с частотой 120 или 100 Гц, в зависимости от местоположения — США или где-либо еще, соответственно). Величина этой пульсации намного больше, чем у усилителя класса AB, потому что значительный ток потребляется постоянно, а не во время пиков сигнала (и т. Д.). Источник питания, который обеспечивает пульсации холостого хода около 50 мВ для усилителя класса AB, может иметь пульсации 1 В (или более) при токе 1,2 А.Это будет слышно при низком уровне сигнала.

Добавление емкости помогает, но к тому времени, когда пульсация снизится до разумного уровня, вы продадите машину, чтобы заплатить за конденсаторы, и у вас больше нет автомобиля, чтобы отвезти их домой. Вам понадобится невероятное количество емкости для получения разумных уровней шума (отношение сигнал / шум> 70 дБ), если не используется регулируемый источник питания. Дело в том, что многие усилители мощности класса A не имеют особенно хорошего отклонения источника питания (хорошо, в целом это не так уж плохо, но не может конкурировать с подобными операционным усилителям), и для всех таких рекомендуется стабилизированный источник питания. усилители.Если вам интересно, это действительно означает, что вам нужно больше транзисторов, больше радиаторов, и это будет стоить больше денег. Такова цена, которую мы платим за совершенство.

Существует альтернатива (которую я не пробовал для этого приложения, но проводил многочисленные симуляции специй), называемый умножителем емкости, который проще и дешевле, чем регулируемый источник питания, но должен быть способен снизить пульсации до очень низкого уровня. уровни. Я получил несколько электронных писем от читателей, которые создали проект по умножителю емкости (см. Страницу «Проекты»), и результаты были очень положительными, так что это делает идею класса A гораздо более привлекательной с точки зрения затрат и тепла.(Умножители емкости не требуются для регулирования, поэтому работают с гораздо более низким входным и выходным дифференциальным напряжением — следовательно, меньше тепла!) Действительно, в конструкции Джона Линсли-Гуда, упомянутой на этих страницах, используется умножитель емкости, хотя его производительность может быть ниже резко улучшилось.

Теперь вопрос — действительно ли этот то, что я хочу делать? Ответ может быть громким да (в конце концов, нет веской причины, по которой усилитель класса AB не может быть таким же хорошим), но чтобы быть разумными, мы должны применить усилитель класса A для твитеров в системы и используйте обычные усилители класса AB для низких и средних частот.Чтобы получить адекватный уровень звукового давления, большинству современных динамиков требуется большая мощность, поскольку они не очень эффективны (т.е. электрическая мощность по сравнению с выходной мощностью).

Вместо того, чтобы расширять эту страницу до краткого учебника по этому вопросу, я оставлю вам упрощенную модель, которую я создал для читателя, у которого была акустическая система, которая была даже менее эффективной, чем обычно. В таблице показана мощность, необходимая для достижения различных пиковых значений звукового давления (на расстоянии одного метра) для динамика с эффективностью 85 дБ / м / Вт.Основываясь на чувствительности этих динамиков, ниже показано примерно то, что вы можете ожидать, исходя из одного усилителя для ясности (т.е. не двухканального или трехканального):

По большей части это не хорошие новости, так как ясно показывает, что для достижения реалистичного уровня звукового давления в типичной среде прослушивания требуется огромное количество энергии. Помните, что показанные цифры находятся на расстоянии всего одного метра — уровень звукового давления будет падать еще на 6 дБ при каждом увеличении расстояния вдвое. (Имейте в виду, что это теоретическая цифра, которая обычно не встречается на практике — возможно, 5 дБ были бы ближе к истине?)

Реалистичное звуковое давление в этом контексте само по себе достойно страницы (книги?), Но помните, что для среднего уровня звукового давления (скажем) 85 дБ переходные процессы потребуют от 10 до 20 дБ запаса по мощности.Это означает, что необходимая пиковая мощность будет в 10–100 раз больше мощности, необходимой для воспроизведения среднего значения 85 дБ. На расстоянии 2 метра для этого примера потребуется около 3 Вт. Для воспроизведения переходных процессов фактическая необходимая мощность должна составлять от 30 до 300 Вт!

На случай, если вам интересно, уровень звукового давления 85 дБ не является громким (хотя тот, кому нужно подчиняться, почти наверняка не согласится). Фактически, он лишь ненамного громче (примерно на 5 дБ), чем признанный оптимальный уровень для нормальной речи.

Поскольку усилители класса A неэффективны, выделяют много тепла и требуют гораздо более сложного источника питания, чем обычные усилители класса AB, должны быть некоторые веские причины для использования такой схемы. Во-первых, простота схемы. В свете вышеприведенного обсуждения схема не проста, но для аудиосигнала она может быть гораздо менее сложной, чем для обычного усилителя мощности.

Преимущество этого заключается в том, что сигнал подвергается сравнительно небольшому усилению, что приводит к разомкнутому контуру (т.е.е. без обратной связи), которое, как правило, довольно низкое — вероятно, менее 250 (48 дБ) и, возможно, всего около 50 (34 дБ). Это означает, что используется очень мало общей обратной связи, поэтому стабильность и фаза должны быть превосходными на звуковых частотах. Хорошо спроектированный усилитель класса A не требует какой-либо частотной компенсации (или очень небольшой), поэтому коэффициент усиления разомкнутого контура будет оставаться достаточно постоянным во всем звуковом диапазоне. Это может привести к превосходной переходной характеристике и значительному снижению «переходных интермодуляционных искажений» (или TID, также известных как динамические интермодуляционные искажения), которые, по мнению многих разработчиков, вызваны фазовыми и временными задержками между входными сигналами и сигналами обратной связи.Возможно, это и есть причина, хотя наличие TID практически равно нулю в любом грамотно спроектированном усилителе.

Простой факт заключается в том, что чем больше усилительных устройств вводится в цепь, тем больший фазовый сдвиг должен быть внесен. Ни одно усилительное устройство не способно мгновенно реагировать на изменение входа — все они имеют некоторую внутреннюю задержку (которая обычно включает разное время включения и выключения). При меньшем количестве устройств в аудиосхеме должна быть меньшая задержка между изменением входа, вызывающим изменение выхода.Упрощенная топология, используемая для большинства усилителей класса A, также может использоваться с классом AB — часто действительно с очень хорошими результатами.

Рисунок 3 — Кроссовер искажений

На рис. 3 показаны кроссоверные искажения усилителя типа B. Это преувеличено для ясности, и для сравнения включен «чистый» сигнал. Как можно видеть, когда сигнал уменьшается, отношение искажения к сигналу становится намного хуже, что приводит к увеличению искажения при уменьшении мощности.Действительно, это именно то, что происходит во многих усилителях, но обычно это «заглушается» такой обратной связью, что кажется, что она исчезает. Из диаграммы видно, что для появления этого кроссоверного искажения коэффициент усиления усилителя должен падать, когда уровень сигнала приближается к 0 вольт. Действительно, коэффициент усиления контура усилителя действительно равен , уменьшенному до нуля, когда транзисторы выключены!

Точка, в которой искажения, кажется, исчезают, является здесь рабочим термином — они вообще не исчезают, и, что еще хуже, когда достигается точка кроссовера, коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя уменьшается, что означает отсутствие такая же обратная связь, как и при более высоких уровнях сигнала.Это будет очевидно для читателей, разбирающихся в электронике — обратите внимание, что около точки кроссовера амплитуда сигнала намного ниже, чем должна быть (это в первую очередь является причиной проблемы!). Поскольку амплитуда уменьшается, очевидно, что коэффициент усиления усилителя на этом уровне должен быть ниже, чем на более высоких уровнях.

Следовательно, если коэффициент усиления разомкнутого контура ниже, то доступная обратная связь также должна быть ниже. Это область, которая получила некоторое исследование, и это иллюстрируется очень «ровным» коэффициентом усиления по сравнению скривые тока коллектора многих наиболее желаемых транзисторов аудиовыхода. Это определенно является поводом для беспокойства и указывает на то, что режим разомкнутого контура усилителя мощности должен минимизировать перекрестные искажения до того, как будет добавлена ​​какая-либо обратная связь. Простое увеличение тока покоя не всегда является полным ответом, потому что эта проблема возникает из-за неотъемлемой нелинейности выходных устройств, когда они начинают (или прекращают) проводить. Увеличение тока покоя будет сдвигать «излом» дальше от точки 0 вольт, но он все равно будет там — и на самом деле может быть хуже, чем при более низких токах покоя.Основным преимуществом является то, что компоненты искажения будут (потенциально) несколько менее слышными и будут влиять на сигнал, пока он сравнительно громкий — это еще больше снизит его слышимость.

В свете этого удивительно, что любые усилители мощности класса AB (обычные) вообще звучат хорошо. Исторически сложилось так, что именно проблемы, которые я здесь выделил, привели к появлению термина «транзисторный звук» (употребляемого, конечно, в уничижительном смысле), когда впервые появились транзисторные или «твердотельные» усилители.Несмотря на все, что вы можете прочитать, эти проблемы вызваны физическими и электрическими характеристиками транзисторов и никуда не делись. Новые устройства гораздо более линейны, чем устройства 60-х и 70-х годов, но они не идеальны. Работа при более высоких токах покоя (то есть больше в области класса AB) уменьшит нелинейность при кроссовере, но ее никогда нельзя полностью устранить — по крайней мере, с любыми устройствами, доступными в настоящее время.

Справедливо сказать, что, хотя проблему нельзя устранить, эффекты можно уменьшить до такой степени, что многие усилители имеют почти неизмеримо малые уровни кроссоверных искажений.Совсем не редко, чтобы увидеть остаточные искажения (после удаления основной гармоники с помощью анализатора искажений), необходимо использовать цифровой осциллограф, который может применять усреднение. Искажения скрыты ниже минимального уровня шума усилителя и не видны без функции усреднения. В проведенных мною тестах прослушивание остаточного шума + искажения показало, что компонент искажения (изолированно) едва слышен поверх системного шума — обычно он ниже слышимости с типичными громкоговорителями.

Таким образом, вполне возможно разработать усилитель, искажения которого на любом уровне ниже ограничения практически неизмеримы. Незначительно более высокие уровни являются обычным явлением, и многие считают, что типичный уровень искажений в большинстве хорошо спроектированных усилителей мощности не слышен в большинстве условий прослушивания. Есть (конечно) и другие, кто это отрицают — либо потому, что они провели надлежащие сравнения в контролируемых условиях, либо потому, что у них гораздо более острый слух, чем у большинства из нас, либо потому, что им сказали, что они должны быть способны слышать разницу — если не могут, то у них должны быть «оловянные уши».Нет ничего лучше давления группы сверстников, чтобы повлиять на восприятие.

Где остается класс A? Существует эмоциональная связь с идеей усилителя класса A, и нужно учитывать, что иногда в этом есть просто аспект «хорошего настроения» — технические детали даже не входят в это. Несмотря на мою двойственность, я все же был немного разочарован своим решением не использовать P36 для моих собственных твитеров — и это несмотря на то, что я не слышал разницы между P36 и высококачественным операционным усилителем мощности, который я — использую для моих твитеров.

Поскольку транзисторы в усилителе класса A никогда не выключаются, очевидно, что нет кроссоверных искажений (в конце концов, нет кроссовера — когда один транзистор отключается, а другой обеспечивает ток нагрузки). Однако есть искажения — они вызваны всеми обычными нелинейностями в любом активном устройстве и, в частности, широким изменением тока в выходном устройстве (в сочетании с повышенной температурой). Стоит отметить, что искажение кроссовера точно такое же, как искажение ограничения, но с другой фазой по отношению к сигналу.Следовательно, он вносит нечетные гармоники (как и ограничение) — 3-ю, 5-ю, 7-ю и т. Д.

При правильной конструкции усилитель класса A должен обеспечивать максимальное искажение разомкнутого контура, возможно, 5% при полной мощности, уменьшаясь при понижении входного сигнала (и, следовательно, выходной мощности). Считается, что это искажение является преимущественно второй гармоникой, которая (в умеренном количестве) гораздо менее навязчива, чем искажение нечетного порядка, создаваемое обычными двухтактными усилителями класса AB, однако это может быть не так.Напротив, наиболее распространенные усилители класса AB будут иметь искажения разомкнутого контура, возможно, от 10% до 15% при полной мощности, хотя некоторые из них будут намного ниже.

Такие усилители обычно полагаются на глобальную обратную связь для уменьшения этого искажения и обычно имеют очень высокий коэффициент усиления без обратной связи. Другая проблема заключается в том, что коэффициент усиления разомкнутого контура не является постоянным с частотой, поэтому количество применяемой обратной связи уменьшается на более высоких частотах — совсем не то, что действительно необходимо. Тем не менее, не означает, что означает, что все такие усилители неслушаемы, несмотря на утверждения об обратном.

Дополнительный комментарий по Class-A может быть интересен в статье «Death of Zen» (DoZ).

Как часто бывает при написании, я внезапно решил, что мне просто нужно запустить симуляцию на паре выходных каскадов. Один из них — это класс AB (по сути тот же, что используется в проекте 3A) и схема эмиттерного повторителя класса A. Оба работали с нулевой обратной связью, а каскад класса AB работал при токе покоя 14 мА по сравнению с2А для цепи класса А.

Вместо того, чтобы делать эту статью длиннее, чем необходимо, если вы хотите увидеть подробности, см. Class-A Part 2

Class-A является наиболее желательной из конфигураций усилителя с точки зрения пуриста, но он не подходит для систем высокой мощности, если не допускается чрезмерное рассеивание мощности (например, от 825 до 1500 Вт чистого тепла для получения 300 Вт звука. ). Однако при использовании высокочастотного усилителя в системе с тройным усилением можно получить желаемый уровень звукового давления в комнате для прослушивания, но без необходимости установки специальной системы кондиционирования воздуха для отвода выделяемого тепла.

При использовании в частотном диапазоне 3000 Гц и выше потребуется сравнительно небольшая мощность, а звуковые преимущества должны быть очевидны — кристально чистые высокие частоты без каких-либо резких искажений. Генерируемое искажение может (но не обязательно) быть преимущественно второй гармоникой и будет наибольшим при высоких уровнях мощности, где его будет меньше всего слышно. Однако имейте в виду, что очень многие усилители класса AB будут иметь такую ​​же хорошую, а во многих случаях гораздо лучшую производительность.

Там, где невозможно (по экономическим или иным причинам) использовать усилитель класса A в диапазоне частот твитера, можно использовать модифицированный усилитель класса AB. Требуемая модификация состоит в том, чтобы увеличить ток покоя (возможно, до 1 А или около того), чтобы усилитель работал как класс A для любого сигнала ниже примерно 8 Вт — при условии, что нагрузка 8 Ом работает нормально, например, твитер. Такая модификация существующего усилителя довольно проста для опытного инженера-электронщика или специалиста по обслуживанию, но почти наверняка потребует модернизации радиаторов, чтобы предотвратить разрушение выходных устройств.Также вероятно, что для источника питания потребуются дополнительные конденсаторы, а также, возможно, стабилизатор или схема умножителя емкости. Без них уровень шума может стать навязчивым, что, скорее, сводит на нет всю цель упражнения. От любого, кто думает в этом направлении, требуется немного поэкспериментировать.

Имейте в виду, что вы можете с любовью попрощаться с любой гарантией, которая может существовать на ваш усилитель — немногие производители согласятся, что разорвать свой продукт на части и восстановить его как нечто «новое» — вполне разумный поступок.

Несмотря на стоимость модификации усилителя таким образом, это обязательно будет дешевле, чем покупка или создание усилителя класса A с нуля — тем более, если у вас есть совершенно хороший (но маломощный) усилитель, который просто валяется в ожидании быть использованы. За небольшой объем работы и относительно небольшие деньги потенциально хороший усилитель может стать вашим.

Предупреждение
Имейте в виду, что приведенный выше раздел скорее относится к «размышлениям», чем к установленным фактам после полного тестирования.Теория (более или менее) верна, но невозможно предсказать точное поведение какого-либо усилителя после модификации, и я предлагаю, что если нужно попробовать какие-либо такие модификации, они должны быть выполнены с измерениями « до и после », чтобы сравнение. Работа с током покоя, превышающим нормальный, может фактически снизить производительность некоторых усилителей.

Последнее обновление страницы — 3 апреля 2005 г. — несколько уточнений и различных обновлений, чтобы привести статью в соответствие с новейшими транзисторами и отразить дополнительные исследования. / 21 марта 2001 г. — исправлен раздел о смещении тока 1/2. / 09 мая 2000 — добавлены некоторые комментарии по питанию конденсаторных умножителей и многое другое об усилителях класса A с «модулированным током». / 29 ноября 1999 г., некоторые незначительные изменения в формулировках. / Дек. ’18 — переделаны чертежи.

Усилитель какого класса лучший?

В том, что усилитель является важной частью вашей аудиосистемы, вероятно, нет ничего нового.Есть много разных типов усилителей. Каждый тип имеет свои свойства и предназначен для определенного типа устройства. Также можно выделить разные классы. В этой статье мы сначала кратко обсудим, что такое усилитель, а затем ответим на вопрос «усилитель какого класса лучший?»

ЧТО СНОВА ТАКОЕ УСИЛИТЕЛЬ?

Как следует из названия, усилитель усиливает сигнал от источника. Обычно его недостаточно для воспроизведения через динамики.Усилитель может быть классической HiFi-частью. Но также, например, гораздо более сложный AV-ресивер. Вы найдете усилители повсюду, большие и маленькие. Скорее всего, в вашем кармане сейчас есть усилитель или вы даже держите его в руке.

Многие устройства имеют встроенный усилитель, например, динамики вашего компьютера. Об этом можно узнать по тому, что на динамике есть кнопка регулировки громкости. Однако, если у вас есть высококачественные динамики, вы, естественно, хотите, чтобы они воспроизводили все ваше аудио: проигрыватель, игровую консоль, телевизор и так далее.Кроме того, не все эти устройства подходят для прямого воспроизведения, неудобно всегда отключать и заменять устройство. Предварительный усилитель или интегрированный усилитель решает эти проблемы.

ЕСТЬ ЛИ ОТЛИЧИЯ МЕЖДУ УСИЛИТЕЛЯМИ?

имеют одну функцию: усиливать звуковой сигнал. Тем не менее, они доступны в разных размерах и с разным качеством. Это необходимо, потому что усилители используются во всевозможных устройствах.Например, сигнал в качественном динамике сильно отличается от сигнала в некоторых наушниках. И мобильный телефон должен иметь возможность воспроизводить звук через встроенные динамики, а также через наушники. Для всех этих требований существуют усилители разных типов. Чтобы получить представление о различиях, мы обсудим основные типы.

Большинство акустических систем содержат усилитель мощности в сочетании с предварительным усилителем . Усилитель мощности находится в конце цепи, прямо перед динамиками.Однако эти усилители нельзя просто использовать: отсутствует регулятор громкости. Поэтому он сочетается с отдельным предусилителем. Он содержит все, чего не хватает усилителю мощности: аналоговые входы, регулятор громкости, любую дополнительную обработку и, возможно, цифровые входы и потоковую передачу. В усилителях мощности можно выделить разные классы.

Часто выбирают интегральный усилитель . Они выполняют функции как предварительного усилителя, так и усилителя мощности. Преимущество этого усилителя в том, что можно добавлять все типы устройств ввода, такие как проигрыватель компакт-дисков, телевизор и другие устройства с выводом звука (ЦАП, потоковая передача и другие функции).

Вы больше похожи на старый знакомый винил, тогда, скорее всего, вы используете дома фонокорректор . У него только одна цель: усилить слабый сигнал проигрывателя, чтобы его можно было воспроизвести. Многие предусилители и интегрированные усилители также имеют вход фонокорректора, поэтому он необходим не всем. Как упоминалось ранее, к наушникам предъявляются другие требования, чем к динамикам. Поэтому для этих продуктов был изготовлен специальный усилитель для наушников .

Музыка настолько детализирована, прозрачна и динамична, что вы не замечаете никаких отличий от живой музыки? Наши революционные сверхбыстрые мембранные модули способны воспроизводить 99,5% всех частот от 20 до 24.000 Гц. Совершенно новый способ познания музыки.

ПОЧЕМУ РАЗНЫЕ КЛАССЫ УСИЛИТЕЛЕЙ?

Если вы когда-либо собирали систему самостоятельно, вы, несомненно, знаете, что усилители бывают разных классов. Класс A, B, AB и так далее. Они просто указывают, какой метод используется для усиления слабого сигнала, чтобы он мог выходить из динамиков. Обычный источник, такой как проигрыватель Blu-ray или проигрыватель виниловых пластинок, обеспечивает слишком слабый сигнал для воспроизведения непосредственно через динамики.Звук — это не что иное, как вибрация, а вашим динамикам требуется мощность, чтобы вибрировать. Чем громче музыка, тем больше воздуха нужно приводить в движение, тем больше требуется мощности.

В мире Hi-Fi много говорят об усилителях класса A и класса D. В домашнем кинотеатре это менее очевидно. Здесь вы в основном видите усилители класса AB или класса D. Мы обсудим самые важные классы для мира Hifi.

А КЛАСС — ЧИСТЫЙ

В целом усилители класса А обеспечивают наилучшие результаты.Не вдаваясь в технические подробности, мы хотели бы отослать вас к этому, мы можем сказать, что усилитель класса A обеспечивает идеальную линейную обработку. Это означает, что входной сигнал идеально усиливается во всех точках до более высокой мощности.

Почему не все выбирают этот класс? Это потому, что у них есть серьезный недостаток. Это идеальное усиление возможно только при постоянном возбуждении партии, даже если нет ничего или почти нечего усиливать с точки зрения звука.Усилитель класса А, который забыли выключить, потребляет столько же энергии, сколько и при большой нагрузке. Кроме того, эти усилители крайне неэффективны. От 70 до 90 процентов потребляемой электроэнергии преобразуется в тепло. Если вам нравится слушать музыку с мощностью 100 Вт на канал, то вы используете около 1000 Вт электроэнергии на канал. Когда вы используете стерео, это будет удвоено, так как вы используете два канала.

КЛАСС Б — ЭКОНОМИЧНЫЙ

Основная проблема усилителей класса A была попытка решить с помощью усилителей класса B.В выходном каскаде используется небольшой стабилизатор напряжения, благодаря которому усилитель намного охлаждается. В усилителях этого типа звуковой сигнал делится на отрицательную и положительную полуволны. Каждая из этих полуволн поступает на свой транзистор и там усиливается. Поскольку положительная полуволна и вторая полуволна генерируются в двух разных электронных частях, их необходимо собрать вместе, чтобы сформировать исходную полную синусоидальную волну. Точка пересечения при 0 В вызывает проблемы из-за трудности согласования этих двух волн: сигнал будет искажен.Это то, что мы называем перекрестным искажением . Такой усилитель немыслим для high-end сегмента. На практике они в основном используются, когда нужно усилить только речь, например, с помощью мегафона.

AB КЛАСС — ГИБКИЙ

Class AB был разработан как временное решение. В этих усилителях выходной каскад переключается на класс А при относительно низкой мощности. Когда требуется больше мощности, он переключается на класс B. Таким образом, температура остается приятной, а урожайность увеличивается.Если усилители класса A быстро стареют из-за сильной жары, это остается в пределах класса AB. На практике вы обнаружите, что на нормальном уровне слушания вы слушаете в классе А большую часть времени. Класс B предназначен для высоты над головой.

D — ЦИФРОВОЙ?

Следующим логическим шагом будет класс C. Классы C, E и F используются в технике радиопередачи. Следовательно, следующая буква в алфавите — это «D». Усилители, работающие по так называемому принципу переключения, относятся к классу D.Также известен как режим переключения или ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Из-за существования цифровых усилителей часто думают, что «D» означает «цифровой». Однако усилитель класса D — это не что иное, как переключающий аналоговый усилитель. Это переключение осуществляется с помощью элемента управления, который работает на основе входящего сигнала. Этот элемент управления может быть цифровым, что может сбивать с толку.

класса D все чаще используются в аудио высокого класса. Благодаря сверхбыстрому переключению эти усилители очень удобны.Если усилитель класса A имеет КПД только от 10 до 30 процентов, то с классом D он увеличивается до 90 или даже 95 процентов. Это означает, что эти усилители не нагреваются и размер может оставаться небольшим. Именно то, что нужно AV-ресиверу и аудиоустройствам ТВ, например саундбарам. Усилители класса D также претерпели огромные изменения в плане производительности. Там, где усилители класса А традиционно обеспечивали наилучшие характеристики, в настоящее время практически нет никакой разницы.

Недостатком может быть то, что сложно получить усилители класса D.Источник питания должен быть качественным, а фильтры должны быть установлены после люка арматуры для устранения высокочастотных помех, вызванных управлением. Однако это не означает, что невозможно получить звук высочайшего качества с усилителем класса D. Это решение может увеличить цену, так что оно не предназначено для динамиков нижнего сегмента.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Многие люди выбирают усилитель класса D из-за его эффективности и снижения затрат.Важно знать, что есть разные качества усилителей класса D. Важную роль в этом играет блок питания. Хороший усилитель стоит или падает вместе с блоком питания. Он должен быть достаточно мощным, но при этом стабильным. Конечно, вы хотите, чтобы взрыв в фильме выглядел реалистично.

Акустическая система Origin оснащена чрезвычайно эффективным и мощным усилителем класса D со всеми новейшими технологиями. Хотите знать, как это звучит? Приходите на сеанс прослушивания, и мы будем рады вам все об этом рассказать.

Что такое усиление класса D?

Если у вас сложилось впечатление, что усилители класса D всего на две буквы хуже, чем модели класса A, подумайте еще раз: технология класса D оказывает все большее влияние на мир живого звука, предлагая большую мощность при меньшем весе чем когда-либо. Узнаем, как и почему …

У каждого звукорежиссера есть свое мнение о микрофонах. И громкоговорители, безусловно, все звучат по-разному. Микшерные пульты? Различия заключаются в удобствах и удобстве эксплуатации.А усилители мощности? Кроме «больше — лучше», кого может волновать усилитель? Усилитель мощности, возможно несколько из них для живого выступления, находится в стойке и продолжает свою работу. Технология отработана, и между усилителями мощности не так уж много разницы, поэтому вы просто выбираете надежного производителя и требуемую мощность. Поднимитесь, и все готово.

Мы должны быть благодарны за то, что усилители мощности настолько неинтересны, потому что если они неинтересны, это означает, что они работают хорошо.Действительно, усилитель мощности является одним из наиболее эффективных компонентов всей звуковой системы с точки зрения частотной характеристики, искажений и шума. Современные усилители мощности тоже вообще довольно надежная связка. Старые усилители регулярно умирали из-за самопроизвольного возгорания транзисторов. Но теперь, благодаря эффективным схемам охлаждения и защиты, отказ усилителя мощности — сравнительно редкое событие. (Если это не так, обратите внимание на свое охлаждение — свободный воздушный поток необходим).

И все же производители не любят отдыхать. Им необходимо постоянно улучшать свои продукты, надеясь получить преимущество перед конкурентами и побудить нас покупать больше того, что они производят. Как бы то ни было, в области усилителей мощности еще есть возможности для улучшения. Больше ватт за доллар — это один из способов их улучшения. Просто больше ватт в одном усилителе — другое. Третья потенциальная область для развития? Сделайте их светлее! Если вы когда-либо проводили время, монтируя усилители и стойки усилителей, вы все об этом знаете.

Crest Audio CD3000 — это усилитель класса D, способный выдавать 1500 Вт на канал при нагрузке 2 Ом. Удивительно, но для такого зверя CD3000 занимает всего 2U в стойке и весит всего (для усилителя мощности) 21 кг. Хороший вопрос: почему усилители мощности такие тяжелые? Электричество ничего не весит, так почему же усилители имеют такую ​​массу? На это есть два ответа. Один из них — трансформатор, который преобразует сетевое напряжение в более низкое напряжение, подходящее для схемы усилителя.Например, если усилитель рассчитан на 500 Вт, трансформатор должен обеспечивать всю эту мощность и многое другое. Поэтому ему нужны солидные медные обмотки и громоздкий сердечник; это обязательно будет тяжело. Другой потенциально массивный элемент — это радиатор. Не все электричество, подаваемое в схему усилителя, преобразуется в полезную мощность, подаваемую на громкоговорители. Некоторое количество тратится как тепло, и это тепло необходимо рассеивать, иначе усилитель будет готовиться. Таким образом, выходные транзисторы прикреплены болтами к большому ребристому радиатору с большой площадью поверхности, которая может легко терять тепло, особенно при использовании вместе с вентилятором.Верно, что радиаторы могут быть изготовлены из легкого металла, такого как алюминий, а продуманная конструкция может сделать радиатор частью конструкции усилителя. Тем не менее, все складывается, и типичный усилитель мощности — довольно тяжелый зверь.

Чтобы уменьшить вес усилителя, есть простое решение: не тратьте слишком много энергии. Если бы энергия не тратилась впустую, трансформатор мог бы быть намного меньше и не требовался бы радиатор. Ясно, что «безотходного» усилителя никогда не будет, но чем эффективнее усилитель, тем легче и меньше он может быть.Таким образом, для живого звука, когда усилители мощности используются в большом количестве, эффективность усилителя является очень желательным качеством. В других областях, где используются усилители мощности, таких как домашний Hi-Fi и студийный мониторинг, эффективность не является такой проблемой.

Это подводит меня к теме этой статьи: усилители класса D. Вся причина существования класса D — эффективность. Ясно, что также должны быть классы-A, класс-B и класс-C, и можно было бы ожидать, что это будут более ранние разработки, поскольку они стоят перед D в алфавите.Я собираюсь объяснить, как работает Class-D и почему он подходит для живого звука. Но сначала мне нужно объяснить, как работают все эти классы.

Если вы ничего не разбираетесь в электронике, не волнуйтесь. Что ж, не беспокойтесь сильно — я не собираюсь углубляться в существующее понимание того, как работают батарея и лампочка. (Конечно, немного знаний об аудиосигналах не помешает.)

Рисунок 1: Простой несимметричный усилитель класса A. Вначале был несимметричный усилитель класса A, как показано на рисунке 1.Я упростил схему, чтобы показать только устройство вывода, в котором определены различия между классами. В простом усилителе, подобном этому, входной аудиосигнал — небольшой переменный ток (AC), протекающий в базу транзистора (‘b’), управляет большим постоянным током (DC), протекающим с выхода источника питания усилителя через коллектор (‘c’) и эмиттер (‘e’) на землю. Части схемы, которые я не упомянул, «смещают» транзистор, так что при отсутствии входного сигнала выходное напряжение (т. Е.напряжение на коллекторе) составляет половину от общего напряжения питания. Это позволяет выходному напряжению изменяться как вверх, так и вниз в равной степени, чтобы воссоздать форму волны переменного тока на входе. Если бы напряжение при отсутствии входного сигнала должно было быть чем-либо, кроме середины между нулем и полным напряжением источника питания, то неизбежно, что одна половина формы волны исчерпала бы напряжение раньше другой, ограничивая величину усиления, доступную до форма волны будет обрезана.

Давайте посмотрим, что происходит, когда напряжение входного сигнала на транзистор низкое.Транзистор пропускает лишь крошечный ток между коллектором и эмиттером, поэтому напряжение на коллекторе будет почти таким же, как полное напряжение на шине питания. Таким образом, нагрузка (громкоговоритель) приводится в действие высоким напряжением и сильным током — закон Ома, V = IR (вольт = ток x сопротивление), диктует, что ток всегда пропорционален приложенному напряжению и сопротивлению в цепи. И наоборот, когда входное напряжение транзистора высокое, коллектор-эмиттерная часть транзистора будет проводить.Напряжение на коллекторе станет низким, поэтому нагрузка (динамик) приводится в действие низким напряжением и только небольшим током (снова закон Ома; сопротивление динамика остается тем же, но приложенное напряжение теперь низкое, поэтому текущий расход низкий). По мере того, как форма входного сигнала, поступающего в транзистор, изменяется вверх и вниз, изменяется и выходное напряжение. Выходное напряжение — это большая версия входного напряжения, что, конечно же, и есть весь смысл усиления.

Это вызывает некоторые вопросы.Во-первых, почему нагрузка (громкоговоритель) не подключается просто между питающей шиной и коллектором? Ответ заключается в том, что в противном случае через громкоговоритель всегда протекал бы ток, даже если входного сигнала не было. Это было бы а) расточительно и б) сместите конус громкоговорителя из его исходного положения, даже если нет сигнала. Второй вопрос: почему между коллектором и громкоговорителем стоит конденсатор (С1)? Ответ состоит в том, чтобы не допустить, чтобы фактический (постоянный) ток источника питания достигал динамика, поскольку нас интересуют только изменения напряжения, а постоянное приложенное напряжение, как и выше, смещает конус из его положения покоя.(Для простоты я опущу описание резистора.)

Этот простой усилитель известен как «несимметричный, класс A». Он имеет только одно выходное устройство, и при отсутствии сигнала ток через выходной транзистор, по крайней мере, не меньше или больше максимального тока, который когда-либо протекает через громкоговоритель. Таким образом, усилитель класса A работает безупречно даже при отсутствии сигнала! Согласно математике, усилитель класса A может иметь КПД только 25%.Таким образом, даже при оптимальной работе три четверти потребляемой мощности тратятся впустую.

Мечта любого разработчика усилителей — создать дизайн, который однажды будет описан как «класс». Эти классы фактически далеко продвинулись за пределы классов A, B, AB и D. Классы E и F используются в радиопередаче, поэтому мы можем игнорировать их. Но класс G и класс H относятся к аудио.

Мы знаем, что класс AB неэффективен или, по крайней мере, не так эффективен, как хотелось бы, учитывая, что на уровнях усилителя мощности теряется много энергии.Причина его неэффективности в том, что мгновенный уровень сигнала контролируется транзисторами, которые сопротивляются протеканию тока, по сути, рассеивая его в виде тепла. Итак, говоря простым языком, когда транзистор пропускает только половину тока, который мог бы, другая половина должна куда-то уходить — и это « где-то » является небольшим, но значительным вкладом во второй закон термодинамики и в конечном итоге смерть Вселенной. . Кто бы мог подумать, что усилитель может это сделать?

Но вот идея: что, если бы слабые сигналы могли быть доставлены маленьким усилителем, а большие сигналы — большим усилителем? Маленький усилитель не должен рассеивать слишком много энергии, как и большой усилитель, поскольку при вызове он будет передавать свою мощность на громкоговоритель.На практике это может быть достигнуто за счет использования двух или более пар шин питания. Одна пара шин подает низкое напряжение для слабых сигналов. При приближении к точке перегиба этих шин усилитель переключается на пару шин питания с более высоким напряжением. И не нужно останавливаться на двух парах рельсов. Ясно, что переключение может быть проблемой и потенциальным источником слышимых дефектов, но повышение эффективности может перевесить проблемы в определенных приложениях.

Class-H — это развитие Class-G (честно говоря, они оба являются лишь развитием Class-AB, но давайте не будем слишком придирчивы к этому).В классе H сигнал используется для изменения напряжения на шине источника питания. Таким образом, когда сигнал находится на высоком уровне, шины питания также находятся под высоким напряжением и готовы к работе. Это позволяет избежать переключения, связанного с классом G. Интересно, что для генерации напряжения на рейке используются схемы, очень похожие по своей природе на класс D.

Рисунок 2: Двухтактный усилитель класса B. На рисунке 2 показана альтернативная стратегия в виде выходного каскада двухтактного усилителя. Один транзистор «подтягивает» напряжение на положительном полупериоде сигнала.Другой транзистор «понижает» напряжение на отрицательном полупериоде. Ну, это детсадовское объяснение. Давайте рассмотрим чуть подробнее …

В этой версии я показал как положительную, так и отрицательную шины питания, а также землю точно между ними по напряжению; фактически ноль вольт. Можно использовать несимметричный (только положительный или отрицательный) источник питания, но лучше использовать двухканальный источник питания, так как выходной конденсатор блокировки постоянного тока не требуется. Это связано с тем, что при отсутствии сигнала оба вывода громкоговорителя находятся под нулевым напряжением, поэтому ток не течет и постоянный ток не блокируется.Вы заметите, что транзисторы немного отличаются друг от друга. Верхний транзистор (Q1) — это то, что мы называем npn, что означает, что он будет проводить между коллектором и эмиттером для положительного напряжения на базе. Нижний транзистор (Q2) — pnp, что означает, что он будет проводить между коллектором и эмиттером при отрицательном напряжении на базе. Если вы уже занимаетесь электроникой, вы заметите, что есть еще одно отличие между этим и рис. 1. На рис. 2 громкоговоритель подключен к эмиттерам транзистора, а не к коллектору транзистора на рис. 1.Это означает, что все усиление напряжения должно предшествовать этому этапу. Эта часть схемы отвечает за подачу сильного тока на громкоговоритель. Но не беспокойтесь об этом слишком сильно; это не влияет на мое объяснение классов усилителей.

Рисунок 3: Кроссовер искажения.

В этой конфигурации высокое входное напряжение вызывает проводимость Q1, в результате чего выходное напряжение приближается к положительному напряжению шины питания. При нулевом входном напряжении ни один из транзисторов не будет проводить.На выходе ноль вольт. Очевидно, что без проводимости ни одного транзистора в громкоговорителе нет тока. Но поскольку на выводах громкоговорителя нет напряжения, оно и не нужно! (Удобное совпадение.) Когда входное напряжение низкое, Q2 проводит, позволяя выходному напряжению опускаться почти до напряжения отрицательной шины питания. Из этого вы можете видеть, что Q1 обрабатывает положительные полупериоды сигнала, а Q2 обрабатывает отрицательные полупериоды. Это класс Б.

Рис. 4: Усилитель класса AB (упрощенно). Прелесть этой схемы в том, что она намного более эффективна. Когда входной сигнал равен нулю, ток не течет ни через громкоговоритель, ни через транзисторы. Максимальный теоретический КПД для синусоидального входа составляет 78,5% — значительное улучшение по сравнению с классом A.

Но есть ложка дегтя. Транзистор практически не будет проводить, если напряжение на базе меньше 0,6 В (минус 0,6 В для транзистора pnp).Таким образом, входные напряжения от 0,6 до +0,6 вольт не приведут ни к одному транзистору в состояние проводимости. На рисунке 3 показаны последствия. Это плоское пятно в середине сигнала называется «кроссоверным искажением» и является неотъемлемой чертой класса B. К счастью, есть ответ, и он заключается в «смещении» входа на два транзистора, как показано на рисунке 4. Эти два новых компонента между базами транзисторов — диоды. Их действие заключается в разделении стоячих напряжений на базах на 1,2 В, тем самым преодолевая внутреннюю «инерцию» транзисторов.Входной сигнал теперь должен только дергаться, и транзисторы среагируют. Это упрощение реальной схемы, но лишь незначительное. В реальной схеме напряжения на базах транзисторов должны быть немного дальше друг от друга и регулироваться для установки «тока покоя» (постоянного тока при отсутствии входного сигнала).

Преимущество заключается в том, что кроссоверные искажения практически устраняются за счет небольшого постоянного тока, когда сигнал находится на нулевом уровне.Интересно отметить, что смещение может быть устроено так, чтобы транзисторы пропускали очень высокий ток при нулевом входном сигнале. Когда вход перемещается, этот ток будет отводиться через нагрузку. Угадай, что? Это снова класс А. Это двухтактный выходной каскад класса A, не более эффективный, чем несимметричный класс A, но более практичный в реализации и полностью лишенный кроссоверных искажений, поэтому он восхищается энтузиастами Hi-Fi высокого класса. Компромиссная ситуация смещения выходных транзисторов так, чтобы они находились в состоянии проводимости, называется классом AB.Класс AB — безусловно, самый распространенный тип усилителей. Он достаточно эффективен, а качество звука превосходно, превосходит только усилители класса A, которые работают так же тепло, как Aga, и стоят недешево — как для покупки, так и для эксплуатации.

Рис. 5: Простой усилитель класса C, который управляет резонансной нагрузкой и очень эффективен на резонансной частоте нагрузки.

В завершение этого раздела на Рисунке 5 показан простой усилитель класса C. Он приводит в действие резонансную нагрузку и, таким образом, очень эффективен на резонансной частоте нагрузки — более 90 процентов.Однако, поскольку он работает только в узком диапазоне частот, он совершенно не подходит для звука. Усиление класса C фактически используется в радиопередаче.

Теперь, когда мы знаем, как работают классы A, B, AB и C, мы можем взглянуть на класс D. Ясно, что все классы от A до C относятся к одному семейству, но класс D совершенно другой. В классах A, B и AB проблема заключается в неэффективности. Некоторая мощность тратится впустую, и мы бы предпочли, чтобы ее можно было разумно использовать для приведения громкоговорителей к еще более высоким уровням звукового давления — или, по крайней мере, не преобразовывать в тепло.Там, где энергия тратится впустую, транзистор находится в частичной проводимости. Когда транзистор полностью проводящий, он похож на кусок провода, и кусок провода почти не теряет мощности. Когда транзистор полностью выключен, он вообще не проводит, а если он вообще не проводит, нечего терять. Проблема заключается в промежуточных этапах, когда транзистор тратит энергию и нагревается. Так что, если бы мы могли найти способ использовать транзисторы только в полностью открытом или полностью выключенном состоянии.Если бы это было возможно, никакая сила не пропала бы. Но возможно ли это …?

Рисунок 6: Усилитель класса D. Это так, и решение — это то, что мы называем классом D. На рисунке 6 показан упрощенный усилитель класса D. Во-первых, давайте посмотрим на сходство между этим и тем, что мы уже обсуждали. Вы можете видеть два транзистора в двухтактной конфигурации, как и раньше. Транзисторы выглядят немного иначе, потому что они представляют собой МОП-транзисторы (полевые транзисторы с металлическим оксидом и полупроводником), а не «обычные» транзисторы.Выходные транзисторы должны быть быстрыми, чтобы они могли очень быстро переключаться между полностью включенным и полностью выключенным. Это также помогает, чтобы состояния включения и выключения были «действительно» включены и выключены. Чем ближе транзисторы могут достичь полной проводимости или полного непроводимости, тем выше будет эффективность усилителя. Ясно, однако, что помимо сходства есть и отличия.

Начнем с вывода. Чего не произойдет, так это того, что транзисторы создадут высоковольтную версию входного сигнала.Что — это , так это то, что они переключаются поочередно, чтобы поднять выход полностью до положительной шины питания, а затем полностью вниз до отрицательной шины питания, как можно быстрее, без промежуточных напряжений. Очевидно, это будет импульсный сигнал. А теперь хитрый момент: если ширину импульсов можно сделать пропорциональной мгновенному уровню входного сигнала, мощность, подаваемая на громкоговоритель, усредненная по времени, будет такой же, как если бы входной сигнал был усилен обычным способом. .Подумайте об этом на мгновение, потому что это ключ к работе усилителя класса D.

Далее, если выходной сигнал фильтруется для удаления высоких частот и острых углов формы импульса, исходный входной сигнал будет реконструирован, точно такой же формы, как и был, но большего размера. Конечный результат — усиленный сигнал, который невозможно отличить от сигнала, производимого обычным усилителем мощности класса AB.

Рисунок 7: Компаратор усилителя класса D, генерирующий сигнал с широтно-импульсной модуляцией.Но как формируется импульсный сигнал? Хорошо, это непросто, но это и не ракетостроение. Сначала нам нужен строительный блок схемы, известный как компаратор. Компаратор имеет два входа: назовем их Вход A и Вход B. Когда на входе A напряжение выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение. На рисунке 7 показано, как компаратор работает в усилителе класса D.На один вход (вход A в моем примере) подается сигнал, который нужно усилить. Другой вход (Вход B) снабжен точно сгенерированной треугольной волной. Когда уровень сигнала мгновенно превышает уровень треугольной волны, выходной сигнал становится положительным. Когда сигнал мгновенно становится ниже уровня треугольной волны, выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которой пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Волшебно просто! Мы называем это «широтно-импульсной модуляцией» или ШИМ.Вот и все. Теперь вы понимаете, как работает усилитель класса D, и если кто-то попытается заткнуть вам глаза и убедить вас, что буква «D» означает «цифровой», вы можете с уверенностью сказать им, насколько они ошибаются. Класс D не является цифровым.

Если бы класс D был совершенен, он бы охватил весь мир, и не было бы никакого другого класса в общем использовании. Я сейчас расскажу вам о трех основных проблемах усилителей класса D, но сначала задам вопрос: как сделать эффективный радиопередатчик? Ответ: начните с аудиоусилителя класса D.Да, высокие частоты, участвующие в усилении класса D, легко распространяются как радиоволны, потенциально вызывая помехи для радиоприемников и другого оборудования. Вы могли подумать, что решением будет заключить усилитель в прочный стальной корпус. Но проблема не в этом, а в кабелях. Фильтр, который должен удалять высокочастотные компоненты и оставлять только аудиосигнал, имеет довольно небольшой наклон — 6 дБ или 12 дБ на октаву, поэтому довольно много радиочастотной энергии все еще выходит.Понятно, что производители стараются улучшить ситуацию и оставаться в допустимых пределах, но это проблема, присущая классу D.

Класс D без фильтра. Технология Class TD от Lab Gruppen расширяет класс D с заявленными звуковыми характеристиками, эквивалентными классу AB, но с превосходными характеристиками класса D с точки зрения эффективности и небольшого веса. Вторая проблема класса D заключается в том, что сигнал воспринимается в последнюю очередь. он достигает громкоговорителя — это фильтр. Пассивный фильтр, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, ожидает увидеть на своем выходе определенную нагрузку.Даже просто глядя на сопротивление громкоговорителя и игнорируя его емкость и индуктивность, громкоговорители бывают с номинальным сопротивлением 2 Ом, 4 Ом и 8 Ом, и фильтр будет работать по-разному в зависимости от импеданса громкоговорителя. Принимая во внимание емкость и индуктивность, импеданс будет варьироваться в зависимости от частоты. Таким образом, конструкция фильтра внезапно становится намного более сложной: усилитель, который работает по-разному для разных динамиков, будет проблемой.

В-третьих — не окончательно, но на данный момент достаточно — усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования.Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (это немного сложнее, но давайте не будем увлекаться деталями). Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диафрагмы громкоговорителя. Хороший усилитель не просто дает толчок и надеется на лучшее; он определяет, где находится диафрагма, и контролирует ее положение. Для этого желателен высокий коэффициент демпфирования, и, как упоминалось выше, простой усилитель класса D имеет низкий коэффициент демпфирования.

Очевидно, что для решения этих проблем можно применить передовые технологии, но из-за них усиление класса D используется в основном в приложениях, где важны эффективность, вес и малые размеры. К ним относятся живой звук, автомобильная аудиосистема и компактные портативные системы.

Не ограничиваясь усилителями мощности PA, Yamaha использует выходной каскад класса D в своей басовой головке BBT 500H мощностью 500 Вт и весом менее 5 кг! Очевидно, есть еще кое-что, что нужно знать. Например, важно знать, что частота переключения должна быть очень высокой для достижения необходимого разрешения.Типичная частота переключения составляет около 300 кГц, что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты, представляющей общий интерес. Динамический диапазон и отношение сигнал / шум усилителя класса D регулируются частотой переключения — чем выше, тем лучше. Очевидно, что чем выше скорость генерации импульсов, тем точнее ширина импульса будет пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Однако недостатком увеличения частоты переключения является то, что усилитель будет менее эффективным.Оптимальный КПД был бы достигнут, если бы транзисторы могли переключаться мгновенно, так что они находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии, при котором почти не потреблялась энергия. Но в реальном мире для того, чтобы напряжение качнулось, требуется немного времени, и в течение этого времени некоторая мощность рассеивается. Таким образом, чем чаще происходят качели, тем больше возможностей для расточительства. Даже в этом случае эффективность практического усилителя класса D может быть выше 90 процентов, что значительно лучше, чем у усилителя класса AB (78.В лучшем случае 5 процентов и обычно ближе к 50 процентам).

Замыкает круг, поскольку усилитель класса D более эффективен, чем обычный усилитель класса AB, он может быть легче. И это, вкратце, причина существования класса D. Более легкое также ведет к меньшему размеру, а для достижения необходимых высоких скоростей переключения схема должна быть физически маленькой. Загляните внутрь усилителя класса D, и вы найдете трансформатор. Посмотрите достаточно внимательно, и где-то там вы тоже найдете схему!

Pass Labs Односторонний класс A — Pass Labs

, безусловно, добились больших успехов за четыре года, прошедшие с того момента, как мы начали тестирование первого Aleph 0.Так является ли это еще одной причудой в области звука, или есть что-то фундаментальное в подобном дизайне, оправдывающее возрождение старых подходов к усилению?

Когда я начал разрабатывать усилители двадцать пять лет назад, твердотельные усилители только что прочно обосновались на рынке. Значения мощности и гармонических искажений были важны, и крупнейший аудиожурнал сказал, что усилители с одинаковыми характеристиками звучат одинаково.

Мы слышали триоды, пентоды, биполярные, VFET, Mosfet, клапаны TFET, IGBT, гибриды, искажение THD, искажение IM, искажение TIM, фазовое искажение, квантование, обратную связь, вложенную обратную связь, без обратной связи, прямую связь, стазис, гармоническое время выравнивание, большой угол поворота, класс AB, класс A, чистый класс A, класс AA, класс A / AB, класс D, класс H, постоянное смещение, динамическое смещение, оптическое смещение, реальное смещение, устойчивое смещение плато, большие запасы, умный источники питания, регулируемые источники питания, отдельные источники питания, импульсные источники питания, динамический запас по мощности, сильноточные, симметричные входы и симметричные выходы.

Должен признаться, что в некоторых из них я несу ответственность.

Однако, кроме записанного в цифровом виде исходного материала, многое не изменилось. Твердотельные усилители по-прежнему доминируют на рынке, крупнейший аудиожурнал по-прежнему не видит разницы, а многие аудиофилы все еще держатся за свои лампы. Оставляя в стороне примеры маркетинговой шумихи, у нас есть большое количество попыток улучшить звучание усилителей, каждая из которых пытается устранить предполагаемый недостаток производительности.

Попытка использовать спецификации для характеристики тонкостей звуковых характеристик потерпела неудачу. Усилители с аналогичными размерами не равны, и продукты с более высокой мощностью, более широкой полосой пропускания и меньшими искажениями не обязательно звучат лучше. Исторически сложилось так, что этот усилитель, предлагающий максимальную мощность, или самые низкие IM-искажения, или самые низкие THD, или самую высокую скорость нарастания, или самый низкий уровень шума, не стал классикой или даже более чем скромным успехом.Долгое время в техническом сообществе существовала вера в то, что в конечном итоге некоторый объективный анализ позволит согласовать субъективный опыт критически настроенного слушателя с лабораторными измерениями. Возможно, это произойдет, но пока что аудиофилы в значительной степени отвергают спецификации стендов как показатель качества звука. Это уместно. Оценка звука — это полностью субъективный человеческий опыт. Мы не должны позволять числам определять качество звука не больше, чем позволять химическому анализу быть арбитром в производстве изысканных вин.Измерения могут дать некоторую информацию, но не заменяют человеческое суждение.

Почему мы все равно стремимся свести субъективное восприятие к объективным критериям? Тонкости воспроизведения музыки и звука для тех, кто это ценит. Дифференциация по номерам предназначена для тех, кто этого не делает.

Как и в искусстве, классические аудиокомпоненты являются результатом индивидуальных усилий и отражают последовательную основную философию. Они делают субъективное и объективное заявление о качестве, которое должно быть оценено.Важно, чтобы схема аудиокомпонента отражала философию, которая в первую очередь касается субъективного характера его работы.

Не имея возможности полностью охарактеризовать производительность объективным образом, мы должны сделать шаг назад от полученного сигнала и принять во внимание процесс, с помощью которого он был получен. История того, что было сделано с музыкой, важна и должна рассматриваться как часть результата. Все, что было сделано с сигналом, встроено в него, пусть даже тонко.

Опыт сопоставления того, что звучит хорошо, со знанием дизайна компонентов дает некоторые общие рекомендации относительно того, что будет звучать хорошо, а что нет.

Простота и минимальное количество компонентов — ключевой элемент, который хорошо отражается на качестве конструкции трубок. Чем меньше штук последовательно с трактом прохождения сигнала, тем лучше. Обычно это верно, даже если добавление еще одного каскада усиления улучшит измеренные характеристики.

Важны характеристики устройств усиления и их конкретное использование.Важны индивидуальные различия в производительности между одинаковыми устройствами, а также различия в топологическом использовании. Все сигнальные устройства способствуют ухудшению качества, но есть некоторые другие характеристики, заслуживающие внимания. Нелинейности низкого порядка в значительной степени аддитивны по качеству, принося ложную теплоту и окраску, в то время как резкие нелинейности высокого порядка аддитивны и вычитаются, добавляя резкости и теряя информацию из-за интермодуляции.

Требуется максимальная внутренняя линейность.Это характеристики каскадов усиления до применения обратной связи. Опыт показывает, что обратная связь — это процесс вычитания; он убирает искажения из сигнала, но, видимо, и некоторую информацию. Во многих старых конструкциях плохая внутренняя линейность была исправлена ​​большим применением обратной связи, что приводило к потере тепла, пространства и деталей.

Высокий ток холостого хода или смещение очень желателен как средство увеличения линейности и дает эффект, который не только легко измерить, но и легко продемонстрировать: возьмите усилитель класса A или другой усилитель с высоким смещением и сравните звук с полным смещением и со смещением уменьшено.(Регулировка смещения выполняется легко, поскольку практически каждый усилитель имеет потенциометр для регулировки смещения, но это следует делать очень осторожно). В качестве эксперимента он имеет преимущество только в изменении предвзятости и ожиданий экспериментатора.

По мере уменьшения смещения восприятие глубины сцены и атмосферы обычно уменьшается. На это восприятие глубины влияет исходная величина тока смещения.

Если вы продолжите увеличивать ток смещения далеко за пределы рабочей точки, окажется, что улучшения будут достигнуты с помощью токов смещения, которые намного превышают уровень сигнала.Обычно уровни, используемые при наиболее критическом прослушивании, составляют всего несколько ватт, но усилитель, смещенный в десять раз больше, обычно будет звучать лучше, чем усилитель со смещением на несколько ватт.

По этой причине конструкции, которые работают в так называемом «чистом» классе A, являются предпочтительными, потому что их токи смещения большую часть времени намного больше, чем сигнал. Как уже упоминалось, каскады усиления предусилителя и входные каскады усилителей мощности обычно имеют несимметричный «чистый» класс A, и, поскольку уровни сигнала составляют малые доли ватта, эффективность схемы не важна.

«Чистота» конструкций класса A была предметом обсуждения в последние несколько лет, при этом «чистый» класс A в общих чертах определялся как рассеивание тепла на холостом ходу, более чем в два раза превышающее максимальную выходную мощность усилителя. Для 100-ваттного усилителя это будет 200 ватт на постоянной основе. Конструкции, которые изменяют смещение относительно музыкального сигнала, обычно имеют ток смещения на уровне сигнала или ниже. Это, безусловно, улучшение с точки зрения энергоэффективности, но звук отражает меньшую точку смещения.

Учитывая предположение, что каждый процесс, который мы выполняем с сигналом, будет слышен, лучшие усилители должны использовать те процессы, которые наиболее естественны.

В цепочке есть один элемент, который мы не можем изменить или улучшить, — это воздух. Воздух определяет звук и служит естественным ориентиром.

Практически все усилители на рынке основаны на двухтактной симметричной модели. Топология двухтактной симметрии не имеет особой основы.

Можно ли использовать характеристики воздуха в качестве модели для разработки усилителя? Если вы согласны с тем, что вся обработка оставляет свою подпись на музыке, ответ — да.

Одной из самых интересных характеристик воздуха является его односторонность. Звук, распространяющийся по воздуху, является результатом уравнения газа:

PV1.4 = 1,26 X 104

где P — давление, V — объем. Небольшая нелинейность, являющаяся результатом характеристик воздуха, обычно не считается значительной при нормальных уровнях звука и сравнима с числом искажений тонких усилителей.Это искажение обычно вызывает беспокойство только в горле рожков, где уровни интенсивного давления во много раз превышают уровни во рту, и где гармоническая составляющая может достигать нескольких процентов.

Мы можем надавить на воздух и поднять давление на произвольную величину, но мы не можем надавить на него. Мы можем только позволить ему расслабиться и заполнить пространство по своему усмотрению, и давление никогда не опустится ниже «0». Когда мы проталкиваем воздух, давление увеличивается больше, чем соответствующее уменьшение, когда мы позволяем воздуху расширяться.Это означает, что при заданном движении диафрагмы, действующей на воздух, положительные возмущения давления будут немного больше отрицательных. Из этого мы видим, что воздух чувствителен к фазе.

Вследствие несимметричного характера звука, содержание гармоник в воздухе в основном 2-го порядка, и большая часть искажений отдельного тона — это вторая гармоника. Характеристика искажения воздуха является монотонной, то есть продукты искажения плавно уменьшаются по мере уменьшения акустического уровня.Это важный элемент, который часто упускается из виду при проектировании аудиосистемы и отражается в низком качестве первых полупроводниковых усилителей и цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Они не монотонны: искажение увеличивается с уменьшением уровня.

Обычная электрическая картина звукового сигнала представляет собой форму волны переменного тока без составляющей постоянного тока. Аудио представлено как переменное напряжение и ток, где положительное напряжение и ток чередуются с отрицательным взаимным и симметричным образом.Эта фикция удобна тем, что позволяет использовать энергоэффективную конструкцию для каскадов мощности усилителя, известную как двухтактный, где «плюс» усилителя чередуется с «минусовой» стороной. Каждая сторона двухтактного усилителя поочередно обрабатывает аудиосигнал; сторона «плюс» подает положительное напряжение и ток на громкоговоритель, а сторона «минус» — отрицательное напряжение и ток.

Проблемы конструкции двухтактных усилителей, связанные с кроссоверными искажениями, подробно обсуждались в другом месте, и одним из основных результатов является немонотонность.Класс B и многие конструкции AB имеют продукты искажения, которые резко увеличиваются с уменьшением сигнала. Это значительно уменьшается в режиме класса A, но кроссоверные искажения остаются разрывом более низкого порядка на кривой передачи.

Для максимально естественного воспроизведения музыки двухтактный симметричный режим — не лучший подход. Воздух несимметричен и не имеет двухтактной характеристики. Звук в воздухе — это возмущение вокруг точки положительного давления. Есть только положительное давление, больше положительного давления и меньше положительного давления.

В описаниях толкания и вытягивания этот тип операций часто иллюстрируется изображением двух мужчин, распиливающих дерево вручную, по одному с каждой стороны пилы. Конечно, это эффективный способ рубить деревья, но можете ли вы представить двух мужчин, играющих на скрипке?

Аналогия со скрипкой или аналогичным струнным инструментом прекрасно иллюстрирует одностороннюю работу и указывает на контроль и изящество, которые могут быть достигнуты, когда только одно устройство усиления контролирует работу каскада усиления.

В отличие от этого, двухтактные схемы класса A имеют два противоположных устройства усиления, формирующих выходной сигнал, и, хотя он и эффективен в промышленном отношении, это не самый тонкий способ усиления сигнала. Двухтактные схемы порождают нечетные упорядоченные гармоники, где фазовая синхронизация отражает сжатие как на положительных, так и на отрицательных пиках и нелинейность кроссовера вблизи нулевой точки.

Только одна топология линейной цепи обеспечивает подходящую характеристику — это несимметричный усилитель.Несимметричное усиление относится только к чистому классу A и является наименее эффективной формой силового каскада, который вы можете разумно создать, обычно на холостом ходу в 3-5 раз превышающей номинальную выходную мощность.

Односторонняя работа не новость. Он обычно встречается в схемах низкого уровня лучших каскадов предварительного усиления и во входных схемах лучших усилителей мощности. Первые ламповые усилители мощности представляли собой однополярные схемы, в которых использовалась одна лампа, управляющая первичной обмоткой трансформатора.

В 1977 году я разработал и опубликовал в Audio Magazine несимметричный усилитель класса A, в котором используются биполярные повторители, смещенные источником постоянного тока. Значительное количество любителей создали устройство, рассчитанное на выходную мощность 20 Вт, и многие отметили его уникальную звуковую сигнатуру. Это один из очень немногих доступных твердотельных однополюсных выходных каскадов.

Несимметричный режим работы класса A менее эффективен, чем двухтактный. Односторонние усилители, как правило, больше и дороже, чем двухтактные, но у них более естественная кривая передачи.

Очень важным моментом при попытке создать усилитель с естественной характеристикой является выбор устройств усиления. Односторонняя топология класса A является подходящей, и нам нужна характеристика, в которой положительная амплитуда очень, очень немного превышает отрицательную. Для устройства усиления по току это будет означать усиление, которое плавно увеличивается с током, а для лампового или полевого устройства крутизна, которая плавно увеличивается с током.

есть одна полезная характеристика: их крутизна имеет тенденцию увеличиваться с увеличением тока.У биполярных силовых устройств есть небольшое увеличение усиления, пока они не достигнут ампер или около того, а затем они уменьшаются при более высоких токах. В общем, использование биполярного сигнала в однополярной цепи не подходит.

Еще одно преимущество в производительности Tubes and Fets — это высокая производительность, которую они обеспечивают в простых схемах класса A. Биполярные конструкции, представленные на рынке, имеют от четырех до семи каскадов усиления, связанных с трактом прохождения сигнала, но с лампами и МОП-транзисторами хорошие объективные характеристики достигаются только с 2 или 3 устройствами усиления на пути прохождения сигнала.

Еще третье преимущество ламп и МОП перед биполярными устройствами — это их большая надежность при более высоких температурах. Несимметричные усилители мощности рассеивают сравнительно большую мощность и сильно нагреваются.

При выборе между триодом и МОП-транзистором преимущество МОП-транзистора состоит в том, что он естественным образом работает при напряжениях и токах, которые мы хотим передать в громкоговоритель. Попытки создать несимметричный триодный усилитель мощности с прямой связью были серьезно ограничены высокими напряжениями и низкими токами на пластинах, характерными для ламп.

имеет интересный характер, поскольку они имеют относительно высокие искажения, пока вы не пропустите через них довольно большой ток. Это делает их очень подходящими для работы в чистом классе A, особенно с несимметричным выходом. Это также делает их гораздо менее подходящими для работы в классах B и AB, где они становятся довольно нелинейными вблизи точки отсечки и требуют большого количества коррекции отрицательной обратной связи для получения чистого вывода.

Не все МОП-транзисторы одинаковы.Ранние МОП-транзисторы имели гораздо более низкую крутизну и более высокое внутреннее сопротивление и искажения, чем более новые поколения. Они также были довольно анемичными с точки зрения номинальных значений тока, напряжения и мощности.

Вдобавок к этому, глядя на схемы ранних и даже современных конструкций усилителей Mosfet, мы видим, что они обычно просто использовались в качестве замены биполярных устройств в проектах классов B и AB, без учета их особых требований к линейности, и без использования их уникальных характеристик.

Учитывая характеристики Mosfet, легко понять, почему ранние и даже современные усилители, использующие их, не достигли той меры звуковых характеристик, которую, казалось, предлагали устройства.

Обещание характеристики крутизны в усилителях мощности для обеспечения наиболее реалистичного воспроизведения музыки с усилением лучше всего реализуется с помощью Mosfet в несимметричных схемах класса A, где они используются очень просто и смещены до очень высоких токов.

В прошлом году я опубликовал проект несимметричного усилителя мощности класса A в журнале Audio Amateur Magazine.В нем используется только один каскад усиления на весь усилитель. Названный усилителем Zen (в конце концов, как звучит хлопок одного транзистора?), Он демонстрирует крайнюю простоту, которую можно достичь с помощью Mosfet, работающего в несимметричном режиме класса A, и высоких объективных и субъективных характеристик. Более подробную информацию об усилителе Zen и его преемнике, Son of Zen, можно получить на сайте Audio Amateur.

На данный момент на рынке доступно очень мало других полупроводниковых усилителей.Это изменится по мере того, как спрос будет продолжать расти, а другие дизайнеры узнают, как их создавать.

Между тем, альтернативой являются несимметричные триодные усилители с трансформаторной связью, в которых используются очень большие трансформаторы с зазором, чтобы избежать насыщения сердечника из-за высокого постоянного тока. Эти конструкции отражают более традиционный подход к несимметричному усилению. Они страдают характеристиками слабосвязанного трансформатора, более ограниченной мощности и более высоких измеренных искажений, чем их твердотельные аналоги, однако они по-прежнему устанавливают стандарт четкости средних частот, и их нельзя сбрасывать со счетов.

Помимо простоты использования, основным преимуществом МОП-транзисторов перед лампами является то, что они работают при напряжениях и токах, подходящих для громкоговорителей, без преобразования и не требуют выходного трансформатора.

Независимо от типа устройства усиления, в системах, где целью является максимальное естественное воспроизведение, предпочтительными топологиями являются простые несимметричные схемы класса A.

Что такое усилитель мощности? Типы, классы, приложения

Усилитель — это электронное устройство, используемое для увеличения величины напряжения / тока / мощности входного сигнала.Он принимает слабый электрический сигнал / форму волны и воспроизводит аналогичную более сильную форму волны на выходе с помощью внешнего источника питания.

В зависимости от изменений, вносимых во входной сигнал, усилители подразделяются на усилители тока, напряжения и мощности. В этой статье мы подробно узнаем об усилителях мощности.

Что такое усилитель мощности?

Усилитель мощности — это электронный усилитель, предназначенный для увеличения мощности заданного входного сигнала.Мощность входного сигнала увеличивается до уровня, достаточно высокого для управления нагрузкой таких устройств вывода, как динамики, наушники, радиопередатчики и т. Д. В отличие от усилителей напряжения / тока, усилитель мощности предназначен для непосредственного управления нагрузкой и используется в качестве конечного блока. в цепи усилителя.

Входной сигнал усилителя мощности должен быть выше определенного порога. Таким образом, вместо того, чтобы напрямую передавать необработанный звуковой / радиочастотный сигнал на усилитель мощности, он сначала предварительно усиливается с помощью усилителей тока / напряжения и после внесения необходимых изменений отправляется в качестве входа в усилитель мощности.Вы можете увидеть блок-схему аудиоусилителя и использование усилителя мощности ниже.

В этом случае микрофон используется в качестве источника входного сигнала. Величины сигнала с микрофона недостаточно для усилителя мощности. Поэтому сначала он предварительно усиливается там, где его напряжение и ток немного увеличиваются. Затем сигнал проходит через схему регуляторов тембра и громкости, которая вносит эстетические коррективы в форму звуковой волны. Наконец, сигнал проходит через усилитель мощности, а выходной сигнал усилителя мощности подается на динамик.

Типы усилителей мощности

В зависимости от типа подключенного устройства вывода усилители мощности делятся на следующие три типа.

Усилители мощности звука

Усилители мощности этого типа используются для увеличения мощности более слабого звукового сигнала. Усилители, используемые в схемах динамиков телевизоров, мобильных телефонов и т. Д., Подпадают под эту категорию.

Выходная мощность усилителя мощности звука колеблется от нескольких милливатт (например, в усилителях для наушников) до тысяч ватт (например, в усилителях мощности в системах Hi-Fi / домашних кинотеатрах).

Радиочастотные усилители мощности

Беспроводная передача требует, чтобы модулированные волны передавались на большие расстояния по воздуху. Сигналы передаются с помощью антенн, а дальность передачи зависит от величины мощности сигналов, подаваемых на антенну.

Для беспроводной передачи, такой как FM-радиовещание, антеннам требуются входные сигналы мощностью в тысячи киловатт. Здесь усилители мощности радиочастоты используются для увеличения мощности модулированных волн до уровня, достаточно высокого для достижения необходимого расстояния передачи.

Усилители мощности постоянного тока

постоянного тока используются для усиления мощности сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Они используются в электронных системах управления, которым требуются мощные сигналы для управления двигателями или исполнительными механизмами. Они принимают входные данные от систем микроконтроллера, увеличивают его мощность и подают усиленный сигнал на двигатели постоянного тока или приводы.

Классы усилителей мощности

Существует несколько способов создания схемы усилителя мощности. Рабочие и выходные характеристики каждой конфигурации схемы отличаются друг от друга.

Чтобы различать характеристики и поведение различных схем усилителя мощности, используются классы усилителей мощности, в которых буквенные символы присваиваются для обозначения метода работы.

Их можно разделить на две категории. Усилители мощности, предназначенные для усиления аналоговых сигналов, относятся к категории A, B, AB или C. Усилители мощности, предназначенные для усиления цифровых сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), относятся к категориям D, E, F и т. Д.

Чаще всего используются усилители мощности, которые используются в схемах аудиоусилителей и относятся к классам A, B, AB или C.Итак, давайте рассмотрим их подробнее.

Усилитель мощности класса A

Аналоговые сигналы состоят из положительных максимумов и отрицательных минимумов. В этом классе усилителей вся форма входного сигнала используется в процессе усиления.

Один транзистор используется для усиления как положительной, так и отрицательной половины сигнала. Это упрощает их конструкцию и делает усилители класса А наиболее часто используемым типом усилителей мощности. Хотя этот класс усилителей мощности заменен более совершенными конструкциями, они по-прежнему популярны среди любителей.

В этом классе усилителей активный элемент (электронный компонент, используемый для усиления, в данном случае транзистор) используется все время, даже если нет входного сигнала. Это выделяет много тепла и снижает эффективность усилителей класса A до 25% в нормальной конфигурации и 50% в конфигурации с трансформаторной связью.

Угол проводимости (часть формы волны, используемая для усиления, отличная от 360 °) для усилителей класса A составляет 360 °. Таким образом, уровни искажения сигнала очень низкие, что позволяет лучше работать на высоких частотах.

Усилитель мощности класса B

класса B предназначены для уменьшения проблем с КПД и нагрева, присущих усилителям класса A. Вместо одного транзистора для усиления всей формы сигнала в этом классе усилителей используются два дополнительных транзистора.

Один транзистор усиливает положительную половину сигнала, а другой — отрицательную половину сигнала. Таким образом, каждое активное устройство проводит одну половину (180 °) формы волны, а две из них в совокупности усиливают весь сигнал.

Эффективность усилителей класса B значительно улучшена по сравнению с усилителями класса A из-за конструкции с двумя транзисторами. Они могут достичь теоретической эффективности около 75%. Усилители мощности этого класса используются в устройствах с батарейным питанием, таких как FM-радиоприемники и транзисторные радиоприемники.

Из-за наложения двух половин формы волны в области кроссовера существует небольшое искажение. Чтобы уменьшить это искажение сигнала, разработаны усилители класса AB.

Усилитель мощности класса AB

класса AB представляют собой комбинацию усилителей класса A и класса B.Усилители этого класса предназначены для уменьшения проблемы меньшей эффективности усилителей класса A и искажения сигнала в области кроссовера в усилителях класса B.

Он поддерживает высокие частотные характеристики, как в усилителях класса A, и хорошую эффективность, как в усилителях класса B. Комбинация диодов и резисторов используется для обеспечения небольшого напряжения смещения, что снижает искажение формы волны вблизи области кроссовера. Из-за этого происходит небольшое падение КПД (60%).

Усилитель мощности класса C

Конструкция усилителей мощности класса C обеспечивает более высокий КПД, но снижает линейность / угол проводимости, который составляет менее 90 °. Другими словами, он жертвует качеством усиления ради увеличения эффективности.

Меньший угол проводимости означает большее искажение, поэтому усилители этого класса не подходят для усиления звука. Они используются в генераторах высокой частоты и усилении радиочастотных сигналов.

класса C обычно содержат настроенную нагрузку, которая фильтрует и усиливает входные сигналы определенной частоты, а формы сигналов других частот подавляются.

В усилителе мощности этого типа активный элемент проводит ток, только когда входное напряжение превышает определенный порог, что снижает рассеиваемую мощность и увеличивает эффективность.

Усилители мощности других классов

Усилители мощности классов D, E, F, G и т. Д. Используются для усиления цифровых сигналов с ШИМ-модуляцией. Они подпадают под категорию импульсных усилителей мощности и включают выход либо постоянно, либо постоянно в выключенном состоянии без каких-либо других уровней между ними.

Благодаря этой простоте усилители мощности, относящиеся к вышеупомянутым классам, могут достигать теоретического КПД до (90-100)%.

Приложения

Ниже приведены применения усилителей мощности в различных секторах:

• Бытовая электроника: Усилители мощности звука используются почти во всех бытовых электронных устройствах, начиная от микроволновых печей, драйверов наушников, телевизоров, мобильных телефонов и домашних кинотеатров до систем усиления для театров и концертов.
• Industrial: Усилители мощности импульсного типа используются для управления большинством промышленных приводных систем, таких как сервоприводы и двигатели постоянного тока.
• Беспроводная связь: Усилители высокой мощности важны при передаче сигналов сотовой связи или FM-вещания пользователям. Более высокие уровни мощности стали возможными благодаря усилителям мощности, которые увеличивают скорость передачи данных и удобство использования.