Классы усилителей

Усилитель мощности используется для управления громкоговорителями. Его задача - подавать высокое напряжение и большой ток на нагрузку с низким сопротивлением в широком диапазоне частот так, чтобы иметь минимальные искажения сигнала. Усилитель может быть выполнен в идее отдельного устройства, а может представлять собой функциональный блок в составе какого-либо устройства.

Ключевым показателем работы усилителя является его эффективность, но также важным критерием служит степень генерации тепла (чем меньше придется отводить тепла от усилителя, тем лучше) и связанное с этим энергопотребление.

Общие принципы устройства усилителя

Если в двух словах, то усилитель состоит из последовательности каскадов усиления, соединенных между собой. Хотя бывают и однокаскадные усилители. Каскад усиления представляет собой ступень усилителя, состоящую из одного или нескольких усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с другими ступенями. Усилительные элементы могут быть представлены электронными лампами, транзисторами и даже туннельными диодами.

Помимо прямых межкаскадных связей существуют и отрицательные обратные связи, позволяющие сделать работу усилителя более стабильной и снизить степень искажения сигнала. Для этой цели в усилителях используют, например, термисторы для стабилизации температуры во время работы усилителя или частотнозависимые составляющие, которые выравнивают частную характеристику.

Также между каскадами усилителя, во входных и выходных цепях могут использоваться аттенюаторы или потенциометры, чтобы регулировать степень усиления сигнала, и фильтры, чтобы регулировать и задавать частотную характеристику.

Усилители можно разделить на аналоговые и цифровые. Очевидно, в аналоговых устройствах входной сигнал усиливается аналоговыми каскадами и не подвергается дальнейшей оцифровке, оставаясь аналоговым на выходе. В цифровых усилителях аналоговый входной сигнал после аналогового усиления подвергается аналого-цифровым преобразованиям, и выходной сигнал оказывается уже цифровым.

Классы усилителей мощности

Класс усилителя – это характеристика, на которую большинство покупателей обращают вниманию в первую очередь, указывающая на режим работы усилительного элемента. Класс усилителя обозначается латинской буквой.

Класс А

Это самый простой класс усилителей. В них используется один транзистор, причем, всегда проводящий, благодаря чему почти исключаются нелинейные искажения сигнала. Практически никогда не применяется в выходных каскадах усилителя мощности, зато отлично подходит для входных каскадов. Именно в классе А работает первый каскад усилителей других классов, это связано с тем, что любые искажения и помехи от первого каскада будут усиливаться последующими.

Можно найти модели усилителей, где используются пары дополнительных выходных транзисторов с противоположной полярностью. При низком уровне сигнала они пропускают весь ток, который требуется для управления громкоговорителем на полной номинальной мощности.

Негативный момент в работе усилителей класса А заключается в том, что на транзисторе выделяется очень большое количество теплоты, что требует громоздких систем охлаждения и высокого потребления электроэнергии.

Несмотря на низкий КПД усилителей класса А, среди аудиофилов они считаются золотым стандартом качества, что связано с точным, почти неискаженным сигналом. Но низкая эффективность, существенные потери энергии и повышенное выделение тепла, высокий уровень тока покоя, КПД 15-35% - с эти не готовы мириться большинство пользователей.

Достоинства:

• минимальные искажения сигнала и высокая точность воспроизведения

Недостатки:      

• низкая эффективность (КПД около 25%)

• высокое потребление электроэнергии

• повышенное выделение тепла

• малая мощность.

Класс B

Усилители класса В - двухтактные, где каждый выходной транзистор проводит только половину волны. Эффективность усилителей этого класса существенно выше, чем класса А, но они сильно искажают сигнал (кроссоверное искажение), что очень неприятно для слуха, поэтому в чистом виде класс В не используется. Усилители данного класса теперь полностью вытеснены классом D.

Класс AB

Наиболее распространенный класс усилителей мощности, к которым можно отнеси большинство AV-ресиверов для домашних кинотеатров и стереоусилителей. Из названия видно, что данный класс усилителей представляет собой комбинацию усилителей классов А и В, когда КПД усилителя гораздо выше, чем в А-классе, но при этом искажения сигнала ниже, чем в В-классе. То есть, усилители класса АВ позволили прийти к компромиссу между качеством звука и нагреванием устройства. При этом используется простая схемотехника с невысокими требованиями к качеству компонентов, что сделало этот класс усилителей очень распространенным в различных моделях.

Достоинства:

• КПД выше, чем в усилителях класса А

• Искажения меньше, чем в усилителях класса В

• Меньший нагрев, чем в усилителях класса А

• Простая схемотехника

Недостатки:

• Искажения выше, чем в усилителях класса А

Класс D

Развивающийся и совершенствующийся класс усилителей, за счет чего очень популярный и часто используемый в домашней аудиоаппаратуре, профессиональных и портативных устройствах. Одним словом, это самые эффективные усилители, КПД которых достигает 90%.

Транзистор имеет два стабильных состояния (открыт или закрыт), поэтому в нем не выделяется много тепла, как это происходит при переключении режимов. Качество усилителя класса D напрямую зависит от типа и частоты модуляции, что влечет за собой сложность схемотехники, соответствующее качество компонентов, а значит и образует цену устройства. Приходится платить за качество и результат.

Важным является тот факт, что для усилителей D-класса сохранятся низкий уровень искажений во всем рабочем диапазоне громкости, в отличие от класса АВ.

В дорогих и высококачественных усилителях класса D используется дельта-сигма-модуляция, которая выводит шумы в область ультразвука, благодаря чему ухом они не воспринимаются.

Усилители класса D малой мощности широко применяются в портативной технике, например, в Bluetooth-колонках. Состоят они их одной микросхемы, которая не требует дополнительных фильтров. Обратная связь компенсирует искажения сигнала в схеме а также пульсации питания. Высокая частота модуляции помогает фильтровать «лишние» высокие частоты.

Ценностью усилителей класса D является отсутствие необходимости прогревать даже очень мощные модели. Они сразу готовы к работе, в отличие от усилителей класса А, которым требуется прогрев для того, чтобы достичь паспортных характеристик.

Дальше – больше. Встроенные в усилитель конвертеры PCM в DSD, помогают избежать лишних преобразований аналого-цифрового сигнала. Цифровой сигнал проходит через усилитель до конечного транзистора, работающий в Hi-end устройствах на частотах около десятков мегагерц.

Также в цепь цифрового сигнала включают цифровой сигнальный процессор (DSP), он компенсирует фазово-частотные искажения, обусловленные самим динамиком и акустическими характеристиками помещения. Такое сочетание цифрового усилителя и цифрового процессора выдает максимально качественный звук, на который только способен динамик. А так как для профессионалов важен результат, то усилители класса D – именно их выбор!

Достоинства:

• высокая эффективность

• компактные размеры и вес

• отсутствие фонового шума

• низкая теплоотдача

• готовность к работе сразу же после включения

Недостатки:

• сложная схемотехника

• стоимость

Классы G,H, E, F

Усилители классов G и H представляют собой, по сути, класс AB, в которых присутствуют дополнительные источники напряжения, подключающиеся в процессе к выходному каскаду (в Н-классе – один, в G-классе – два и более). Напряжение питания выходного каскада в таких устройствах изменяется в зависимости от уровня сигнала, что повышает КПД устройства. Класс Н идеально подходит для компактных усилителей высокой мощности, которые применяют в профессиональных туровых акустических системах.

Еще более высоким КПД могут похвастать усилители классов E и F, в которых транзистор переключается в тот момент, когда через него не проходит ток. При этом наблюдаются очень большие искажения, поэтому такие устройства не используют для усиления звука.

 Достоинства:

• высокая эффективность

• низкая теплоотдача

• компактность

Недостатки:

• стоимость

Выводы

Если подытожить вышесказанное, то независимо от класса, любой усилитель может быть как плохим, так и хорошим. Результат зависит не от класса, а от конкретной схемотехники. КПД – важный показатель усилителя, и самый высокий он у D-класса.

При выборе усилителя, по большому счету, стоит обращать внимание на две вещи: выдаваемую мощность на заданное сопротивление нагрузки и цену. Наиболее популярны сейчас усилители А/В класса, что объясняется наилучшим соотношением вышеназванных критериев: работают они хорошо при относительно невысокой стоимости. Аудиофилы остаются поклонниками А-класса за их чистый звук. Профессионалы с деньгами всё чаще смотрят на D-класс, всё-таки его КПД существенно выше, а также в большинстве своем они имеют на борту дополнительную динамическую обработку – кроссовер, эквалайзер, лимитер и даже настройку задержки аудио сигнала, необходимую для крупных инсталляций, где акустические системы могут находиться от сцены на расстоянии порядка сотни метров. Нет предела совершенству, как и поискам новых решений. Поэтому экспериментируйте и ищите лучшее решение для своих задач.