На практике это означает, что часть полезной энергии будет потрачена усилителем впустую. Представьте, что вы открываете все краны в своем доме и через каждый из них течет непрерывный поток воды.
Все, наверное, слышали, что усилители могут работать в классе А, АВ или, скажем, в классе D. Однако, как показывает практика, не все знают, что скрывается под этими обозначениями. Сейчас мы расскажем, что они собой представляют, и попытаемся сделать выводы, какой усилитель и когда подходит для той или иной системы прослушивания.
Прежде всего, необходимо понять, как работает усилитель в целом. Это может вас удивить, но на самом деле он ничего не усиливает. Он работает как обычный водопроводный кран – вы поворачиваете ручку, и вода течет сильнее, слабее или совсем не течет.
В усилителях все точно так же – ток от источника высокой мощности проходит через динамик, подключенный к усилителю. Роль “крана” играют выходные транзисторы, а их открытием и закрытием управляет сигнал, поступающий в усилитель из радиоприемника. Так работает этот “кран” (выходные транзисторы) определяет класс усилителя.
Углубляясь в мир класса D, вы также найдете упоминания об аналоговых и цифровых усилителях. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую схему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок через обратную связь. Усилители класса D с цифровым управлением, с другой стороны, используют цифровое управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что усилители с контролем ошибок топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с фронтальным ЦАП). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет преимущество перед цифровым аналогом, поскольку обычно предлагает более низкий выходной импеданс и лучший профиль искажений.
Какие существуют классы усилителей мощности?
Если вы когда-либо изучали технические характеристики усилителей или смотрели обзоры аудиооборудования, вы могли заметить термин “класс усилителя”. Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенные классы усилителей, используемые сегодня в бытовой аудиоаппаратуре, – это A, A/B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами классификации, а описывают топологию усилителя, то есть то, как работает усилительный элемент (транзистор или лампа) на фундаментальном уровне. Хотя каждый класс усилителей имеет свой набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивать их конечные характеристики) остается неизменной: усиление формы сигнала, посылаемого на них предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере, с минимальными искажениями. Что же означает этот алфавитный набор классов усилителей?
Вполне вероятно, что принцип работы классов окажется сложным для понимания, поэтому самое главное, что нужно помнить, это следующее:
- Класс A практически не используется в современном аудиооборудовании. Исключение составляют экзотические усилители класса Hi-End. Основным недостатком класса А является его низкая эффективность (в среднем КПД не превышает 25%). Такой усилитель потребляет много тока и выделяет еще больше тепла, но выдает мало мощности. Преимуществом класса А является высокая точность воспроизведения и низкий уровень искажений.
- Класс B не используется в домашних аудиоприложениях.
- Класс АВ в настоящее время является наиболее распространенным классом среди усилителей мощности. Большинство AV-ресиверов и стереоусилителей для домашних кинотеатров работают в классе AB.
- Класс D Класс D становится все лучше и лучше. Если вас интересует, как это работает, мы покажем вам, как это работает, ниже. Самое главное, что нужно знать: усилители класса D имеют очень высокий КПД (90%) и компактные размеры. Усилители класса D сегодня все чаще используются в домашней аудиоаппаратуре и повсеместно применяются в профессиональных и портативных устройствах. И класс D – это не сокращение от digital, это просто еще одна буква в алфавите, как Класс C Класс и класс B не используются в аудиооборудовании.
- Класс G,H не признаны официально и являются вариациями на тему класса A / B.
Введение
Усилитель мощности предназначен для питания громкоговорителей. Он должен выдавать высокое напряжение и ток на низкоомную нагрузку в широком диапазоне частот, от менее 20 Гц до, возможно, 40-50 кГц, без слышимых искажений.
Для усилителя мощностью 100 Вт RMS, генерирующего синусоидальную волну, пиковое выходное напряжение должно быть более +/- 40 В для резистивной нагрузки 8 Ом и пикового тока +/- 5 А. На практике для управления реальными динамиками, чей импеданс на некоторых частотах значительно ниже 8 Ом, могут потребоваться гораздо большие токи; в приведенном выше примере типичное требование составляет +/- 8 ампер. Для управления современными нагрузками 4-8 Ом при мощности 100 Вт это значение должно быть увеличено до +/- 12 ампер или более.
В реальной жизни напряжение питания должно быть ближе к +/- 50 В, а не к теоретическому минимуму +/- 40 В, чтобы учесть потери в цепи.
Такая высокая мощность означает, что в усилителе, особенно в его выходном каскаде, рассеивается большое количество тепла. Это дорого, поскольку требует физически больших массивов выходных транзисторов, массивных теплоотводов и силового трансформатора достаточного номинала.
Таким образом, эффективность имеет значение, поскольку более эффективные усилители выделяют меньше тепла и экономят как деньги, так и потребляемую мощность. Как мы увидим, различные классы усилителей, представленные ниже, сильно различаются по производительности, сложности, стоимости и точности. Разработчики усилителей стремятся найти наилучший вариант, отвечающий требованиям рынка.
Класс A
Простейшие аудиоусилители несимметричны и работают в классе А; то есть в них используется только один выходной транзистор, который всегда проводит, независимо от формы выходного сигнала. Класс А имеет хорошую или отличную линейность (и, следовательно, высокую точность/низкие искажения), но очень низкий КПД. Он практически никогда не используется в выходных каскадах усилителей мощности, но идеально подходит для входных каскадов усилителей мощности и каскадов высокого уровня.
На потребительском рынке есть несколько примеров усилителей класса А push-pull (Krell, Sugden и т.д.). В них используются пары комплементарных (противоположной полярности) выходных транзисторов, которые при низком уровне сигнала пропускают весь ток, необходимый для управления подключенным динамиком при полной номинальной мощности. Для приведенного выше примера 100 Вт / 8 Ом означает, что транзисторы выходного каскада будут нагружены током 2,5 А. При напряжении питания не менее +/- 40 В выходные каскады будут рассеивать 200 Вт без выхода на динамики – и это только для одного канала!
Благодаря положительным характеристикам, связанным с работой в классе А, во многих аудиофильских кругах он считается золотым стандартом качества звука. Однако у этих конструкций есть один существенный недостаток – эффективность. Требование, чтобы все выходные устройства в конструкциях класса А всегда проводили ток, приводит к значительным потерям энергии, которая в конечном итоге преобразуется в тепло. Это усугубляется тем, что усилители класса А требуют относительно высокого уровня тока покоя, то есть тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель не производит никакого выходного сигнала. Фактическая эффективность класса А может составлять порядка 15-35%, с возможным снижением до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.
Класс B
В усилителях класса B push-pull каждый выходной транзистор проводит только половину (180 градусов) формы сигнала. Когда нет сигнала, ни один из транзисторов не проводит ток – прямо противоположно усилителю класса А. Верхний NPN-транзистор проводит только положительную часть сигнала, оставляя нижний PNP-транзистор выключенным. И наоборот, нижний транзистор проводит только отрицательную часть сигнала, оставляя верхний транзистор выключенным. Усилители класса B намного эффективнее усилителей класса A, но имеют высокие искажения из-за сильной нелинейности в переходной области, где два транзистора переходят из состояния “включено” в состояние “выключено”. Эта форма искажений, называемая кроссоверными искажениями, очень неприятна на слух, поэтому ни один коммерческий усилитель не использует чистый класс B.
Класс АВ
Усилитель класса AB, который представляет собой комбинацию классов A и B, имеет гораздо более высокую эффективность, чем класс A, но гораздо меньшие искажения, чем класс B. Это достигается путем смещения точки перехода обоих транзисторов – точки, в которой усилители класса B вносят значительную нелинейность. Затем они переходят в класс B для более высоких токов сигнала. Для каждой конструкции усилителя существует оптимальный ток смещения, который минимизирует (но не полностью устраняет) искажения кроссовера. Типичный ток смещения составляет 50 мА; таким образом, рассеиваемая мощность нашего выходного каскада мощностью 100 Вт составляет 80 В x 50 мА = 4 Вт, что составляет всего 2% от приведенного выше примера класса А. Большинство коммерческих усилителей мощности работают в классе AB.
На практике ток смещения может отклоняться от оптимального со временем, температурой и уровнем сигнала, и это увеличивает остаточные искажения кроссовера. Много изобретательности было вложено в попытки улучшить это, но результаты были неоднозначными. Один из хороших подходов – выключать непроводящий транзистор гораздо медленнее, чем в обычных конструкциях, используя комбинацию положительной и отрицательной обратной связи в выходном каскаде, чтобы он мог работать почти в классе А с выходной мощностью около 10 Вт.
Легко понять, почему такие конструкции ограничены относительно низкой максимальной выходной мощностью (20-50 Вт (RMS) на канал), перегреваются и чрезвычайно дороги.
Класс D
В усилителях класса D используется другой метод, при котором выходные транзисторы (обычно МОП-транзисторы) быстро включаются и выключаются на частоте, гораздо более высокой, чем самый высокий уровень воспроизводимого аудиосигнала. Звуковой сигнал используется для модуляции или изменения соотношения времени включения и выключения сигналов – отсюда альтернативное название класса D, широтно-импульсная модуляция или класс ШИМ. Среднее значение этого выходного сигнала после фильтрации низких частот соответствует фактической желаемой форме аудиосигнала. Обратите внимание, что это все еще аналоговый усилитель – термин “цифровой усилитель” часто используется для обозначения класса D, но это просто неправильно.
Преимуществом класса D является высокий КПД (80-90%), поскольку выходные транзисторы во время работы либо полностью включены, либо полностью выключены. Потребляемая мощность в состоянии покоя сопоставима с усилителем класса AB. К недостаткам относятся необходимость использования дорогих выходных фильтров и некоторая степень электромагнитного излучения/помех от усилителя и акустических кабелей из-за высоких частот переключения. В целом, его качество звука не так хорошо, как у приличного усилителя класса AB, хотя с лучшими усилителями класса D этот разрыв сокращается.
Углубляясь в мир класса D, мы также находим упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговые входы и аналоговые регуляторы, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок через обратную связь. С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют цифровое управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что усилители с контролем ошибок топологически эквивалентны аналоговым усилителям класса D с фронтальным ЦАП). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговыми регуляторами имеет преимущество перед цифровыми аналоговыми регуляторами, поскольку они обычно имеют более низкий выходной импеданс и лучший профиль искажений.
Обычно это LC-цепь (индуктор и конденсатор), размещенная между усилителем и динамиками для снижения шума, связанного с работой в классе D. Фильтр имеет большое значение: плохая конструкция может негативно повлиять на производительность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, не использующих обратную связь на этом этапе, частотная характеристика может быть настроена на определенный импеданс, когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно изменяться в зависимости от того, какую нагрузку видит громкоговоритель. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.
В конечном итоге, сложность класса D имеет свои преимущества: эффективность и, соответственно, меньший вес. Поскольку относительно небольшое количество энергии рассеивается в виде тепла, требуется гораздо меньше теплоотводов, т.е. радиаторов. Кроме того, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания может быстро включаться и выключаться для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и снижению веса по сравнению с традиционными аналоговыми/линейными источниками питания. Даже очень мощные усилители класса D могут весить всего несколько килограммов. Недостатком источников питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это действительно так. Два усилителя со сравнимыми номинальными мощностями выдавали номинальную мощность, но один из них с линейным источником питания был способен выдать более высокий уровень динамической мощности. Однако конструкции SMPS становятся все более распространенными, и можно ожидать, что следующее поколение усилителей класса D будет использовать их.
Класс G и H
Еще одна пара конструкций, разработанных для повышения эффективности, хотя технически усилители класса G и класса H официально не признаны. Эти термины относятся к классам усилителей, в которых для достижения более высокой эффективности, чем в классе AB, напряжение питания выходного каскада изменяется в зависимости от уровня сигнала. Это связано с тем, что отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде музыки достаточно велико – обычно 3 к 1 – поэтому полное напряжение питания требуется редко. Если вышеупомянутый выходной каскад мощностью 100 Вт обычно работает только при напряжении, скажем, +/- 20 В, а не +/- 40 В (теоретический минимум), то при воспроизведении музыки он будет в среднем намного холоднее. Конечно, теперь требуются дополнительные блоки питания, но эти затраты могут быть в значительной степени компенсированы уменьшением тепловыделения (и меньшими размерами) всей системы.
Термины G и H часто путают – здесь мы используем термин класс G для обозначения усилителей, имеющих две (или более) пары шин питания, доступных для выходных транзисторов. Они могут переключаться жестко при заданном уровне сигнала или мягко, при этом высшие шины, присутствующие на выходном каскаде, модулируются в зависимости от уровня выходного сигнала. Это соответствует форме выходного сигнала вверх и вниз для поддержания небольшого постоянного напряжения около 5 В на выходных транзисторах при высоких уровнях сигнала.
Усилители класса H используют только одно питание для выходных каскадов, которое может изменяться дискретно или непрерывно. Он требует более сложной схемы для прогнозирования и контроля напряжения питания и хорошо подходит для компактных усилителей очень высокой мощности, используемых в профессиональных туровых акустических системах (PA).
Так в чем же минусы? Одним словом: стоимость. Оригинальные схемы переключения шин использовали биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что добавляло сложности и стоимости. Сегодня этот показатель часто снижается за счет использования сильноточных МОП-транзисторов. Использование МОП-транзисторов не только еще больше повышает эффективность и снижает тепловыделение, но и требует меньшего количества деталей. Помимо стоимости самой коммутации шин / модуляции шин, стоит также отметить, что некоторые усилители класса G используют больше выходных устройств, чем типичные конструкции класса A / B. Одна пара блоков будет работать в нормальном режиме A / B, питаясь от шин низкого напряжения; в то же время другая пара остается в резерве, действуя как усилитель напряжения, и включается только при необходимости. Наконец, из-за этой дополнительной стоимости усилители классов G и H обычно ассоциируются только с усилителями высокой мощности, где повышенная эффективность делает их экономически эффективными. Компактные конструкции также могут использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, поскольку возможность переключения в режим пониженного энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором.
Один усилитель на все случаи жизни?
При правильной реализации любая из приведенных схем, кроме чистого класса B, может стать основой качественного усилителя. Неубедительно? Далее рассмотрим относительные сильные и слабые стороны каждой схемы:
Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал весь рынок Hi-Fi только потому, что у него есть недостатки, которые для многих аудиоэнтузиастов кажутся более важными, чем энергоэффективность. Наличие высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на работу усилителя и соседних аудиокомпонентов.
Принцип работы
Усилители класса D и все его модификации, включая те, которые имеют отдельные буквенные обозначения (класс T, J, Z, TD и другие), работают по принципу широтно-импульсной модуляции, сокращенно ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует уже давно и используется как способ хранения и передачи информации. Его суть заключается в модуляции полезного сигнала определенной несущей частотой. Частота выбирается таким образом, чтобы ее можно было удобно передавать или записывать на несущую. Процесс воспроизведения происходит в обратном порядке: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. На этом принципе работают цифровые технологии, радиосвязь и радиовещание. Тонкость заключается в том, что при использовании ШИМ преследуется совершенно другая цель. Модуляция позволяет преобразовать сигнал в форму, которая делает усиление максимально простым и эффективным.
В основе схемы класса D лежит генератор микроволновых импульсов (число которых исчисляется сотнями МГц) с несущей частотой и компаратор – устройство, модулирующее эти импульсы в зависимости от формы входящего аналогового сигнала. Дальше все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов одинаковой амплитуды, но разной длительности, которые усиливаются парой симметрично соединенных быстродействующих MOSFET транзисторов. Затем схема использует простой LC-фильтр для демодуляции усиленного сигнала и отсечения несущей частоты и связанного с ней высокочастотного шума.
Упоминание транзисторов, используемых для усиления, вызывает закономерный вопрос: “не проще ли сразу усилить аналоговый сигнал, без какой-либо модуляции?”. И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. Обычные усилители классов A, B, G и их производные используют транзистор для управления широкополосным сигналом, который непрерывно изменяется по частоте и амплитуде. Поведение даже самого лучшего транзистора при различных амплитудах и частотах не является на 100% идентичным, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окраску или “характер” усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D изменяется дискретно и с полной амплитудой. Таким образом, режим работы транзисторов значительно упрощается и становится более предсказуемым. По сути, они работают как ключ, будучи либо закрытыми, либо открытыми без промежуточных значений.
От транзистора в этом режиме требуется только как можно быстрее реагировать на изменение уровня сигнала, а его поведение при промежуточных амплитудах не имеет значения. Это также очень положительно влияет на эффективность мощности усилителя, повышая его теоретический КПД до 100%.
Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированных аналоговых и цифровых сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: “Усилитель класса D является цифровым, поэтому правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый. Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D фактически очень похож на то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, но принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.
Именно по этой причине на цифровых входах интегральных усилителей класса D используется вполне традиционная схема ЦАП, а с аналоговых выходов платы усилителя сигнал подается на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входным сигналом для усилителей класса D.
Однако есть несколько исключений, которые при детальном рассмотрении не меняют общей картины, но обогащают типичные схемы класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, будучи еще программистом в NAD, успешно реализовал схему преобразования потока PCM непосредственно в формат PWM, минуя традиционную процедуру цифро-аналогового преобразования. Эта технология называется Direct Digital, или по-русски: прямое цифровое усиление.
Это уменьшает длину и сложность звуковой дорожки, а единственное цифро-аналоговое преобразование в такой схеме происходит непосредственно перед клеммами динамиков. Однако стоит отметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен иметь классический входной каскад, используемый в традиционных усилителях класса D.
В настоящее время технология прямого “цифрового” усиления еще не стала массовым явлением, возможно, потому, что г-н Лингдорф грамотно зарегистрировал патентные права на технологию или просто предпочитает не выдавать все секреты своим коллегам. Однако не так давно аналогичная схема была успешно применена к мобильным устройствам, что дает надежду на более широкое распространение этой технологии в будущем. Возможно, что через некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.
Даже при самой требовательной нагрузке и высокой громкости нижняя часть баса была на удивление стабильной – она звучала абсолютно чисто, без шумов, с естественным воспроизведением ощущения вибрирующей струны и деки инструмента, реагирующей на эту вибрацию. Одним словом, все произошло именно так, как и должно быть с усилителем с заявленным сочетанием мощности и коэффициента демпфирования.
Плюсы
Основным преимуществом усилителей класса D, с помощью которых была написана эта история о модуляции сигнала, является энергоэффективность. Более того, как в теоретических расчетах, так и в реальных цифрах, он дает такой прирост эффективности, с которым может хоть как-то сравниться только переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и других выглядят на этом фоне довольно слабой попыткой.
При работе в импульсном режиме транзистор проводит половину своего времени в полностью закороченном состоянии, поэтому он имеет нулевой ток покоя и не потребляет ток. В этом случае транзистор при включении работает на полную мощность, направляя всю энергию, поступающую от источника питания, на выход усилителя.
В результате, эти теоретические 100% КПД при практическом применении дают действительно превосходные значения порядка 90-95%. А поскольку на нагрев транзисторов расходуется лишь небольшой процент энергии, можно использовать очень маленькие радиаторы. Усилителю класса AB требуется один или оба таких радиатора для достижения мощности 100-200 Вт на канал, в то время как усилитель класса D использует кусок алюминия размером со спичечный коробок или два.
Кстати, то же самое можно сказать и о размерах платы усилителя мощности: в классе D она во много раз компактнее, даже если построена из дискретных компонентов, а не интегральных схем. Наконец, усилители класса D имеют более низкую стоимость владения, чем аналогичные модели других классов. Однако последнее более вероятно в случае проектов “сделай сам” – производители предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в качество звука и другие улучшения, тем более что классу D действительно есть куда расти.
Класс XD – означает смещение кроссовера. Идея заключается в том, что при низком уровне сигнала усилитель работает в классе А, а при увеличении выходной мощности он переключается в класс В, где точка смещения находится на нуле гораздо более короткое время. Его КПД лишь немного ниже, чем у обычного усилителя класса AB, но уровень искажений значительно ниже. Это книга от Cambridge Audio.
Получить класс.
Я заметил, что многие люди не понимают, как устроены усилители и в каком классе они работают. Краткое руководство для тех, кто не в курсе.
Усилители бывают следующих классов – A, B, AB, D, H, G и XD.
Класс A Одноцикловый усилитель, в котором один элемент усиливает весь сигнал, а не одну из полуволн, усилительный элемент никогда не закрыт, а его ток покоя всегда больше тока, подаваемого на нагрузку. Основным недостатком такого режима работы является очень низкий КПД, на практике около 20%, остальная энергия фактически используется для нагрева агрегата. Они являются предметом желания аудиофилов.
Класс B Ближайшим родственником класса A является класс B. Это усилитель типа push-pull, в котором одна половина элементов усиливает положительную половину волны сигнала, а другая – отрицательную, то есть получается, что половину времени каждое плечо работает вхолостую. Это позволяет экономить электроэнергию и повышает эффективность, при этом типичный КПД составляет 60-70%, а выходная мощность ограничена только количеством элементов в выходных каскадах. Однако для этого класса характерен так называемый эффект отсечки, когда сигнал проходит через нулевую точку и одно плечо заканчивается, а другое начинается. Я не сталкивался с такими промышленными усилителями.
Класс АВ Ток покоя усилителя в режиме AB намного больше, чем в режиме B, но намного меньше, чем ток, необходимый в режиме A. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит большую часть периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, а другая сильно искажается. Угол проводимости такой ступени намного больше 180°, но меньше 360°. Это означает, что АВ сочетает в себе свойства обоих фундаментальных классов.
Итак, что мы имеем? Чистый класс А – только для опытных аудиофилов (если речь не идет об усилителе для наушников или предусилителе, при таких уровнях сигнала он вполне приемлем). Класс B (на самом деле AB, потому что никто не устанавливает минимальный ток покоя) по-прежнему является важной частью звуковой технологии.
Класс С, насколько я знаю, не получил широкого распространения. Поэтому мы переходим к Класс D.. Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена D. W. Агеев (СССР, 1951) и Алек Ривз (Великобритания). В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а через год это название вошло в радиолюбительскую практику. В 1964 году в Великобритании были представлены первые транзисторные усилители класса D, но без коммерческого успеха. Такие же безуспешные попытки были предприняты в 1974 и 1978 годах компаниями Infinity и Sony. Массовое производство усилителей этого класса стало возможным только после начала производства силовых транзисторов TFT в первой половине 1980-х годов. В режиме D форма сигнала тока выходных транзисторов почти прямоугольная – транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых транзисторов измеряется десятками – единицами мОм, поэтому в качестве первого приближения можно считать, что в D-режиме транзистор работает без потери мощности. КПД настоящих усилителей класса D составляет около 90%, а наиболее экономичные конструкции имеют КПД около 95%, при этом КПД мало зависит от выходной мощности. Только при низкой выходной мощности, порядка 1 Вт или меньше, усилитель класса D проигрывает по потребляемой мощности усилителю класса B.
Класс H и Класс G Работа усилителей класса G и класса H может быть кратко описана. Их сигнальная секция похожа на усилители класса AB и работает при низких уровнях громкости точно так же (напомним, что при низких уровнях сигнала класс AB работает в классе A). Секрет кроется в блоке питания, который контролирует уровень входящего сигнала. Когда уровень громкости повышается, источник питания увеличивает напряжение питания, позволяя усилителю работать с большей амплитудой, и уменьшает напряжение, когда уровень входного сигнала падает. Для класса G характерно ступенчатое увеличение мощности, а для класса H – плавное. Известные усилители STK работают в классе H.
Класс XD – это аббревиатура для обозначения смещения кроссовера. Идея заключается в том, что при низком уровне сигнала усилитель работает в классе А, а затем, по мере увеличения выходной мощности, он переключается в класс В, при этом точка смещения находится на нуле гораздо меньшее время. Его КПД лишь немного ниже, чем у обычного усилителя класса AB, но уровень искажений значительно ниже. Это устройство произведено компанией Cambridge Audio.
Если я ошибаюсь, гуру могут меня поправить.
Я хотел бы отметить, что обозначения (особенно Technics) New Class A, Class AA, H+ не имеют ничего общего с реальными классами и являются маркетинговой уловкой.
Усилители класса D малой мощности широко используются в портативных устройствах, колонках Bluetooth. Часто они состоят из одного чипа, который даже не требует дополнительных фильтров в цепи питания – обратная связь компенсирует не только искажения в самом чипе, но и пульсации источника питания. А при использовании высокочастотной модуляции индуктивность катушки драйвера достаточна для фильтрации нежелательных высоких частот.
Усилители класса AB
Точка покоя выбрана немного дальше от нуля для достижения определенного баланса между качеством звука и теплотой. Другие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Благодаря относительно простой схеме, не особенно требовательной к качеству компонентов, его можно встретить везде – от недорогих портативных устройств до концертных усилителей и аудиофильских гаджетов.
Любимый трюк производителей – завысить точку смещения так, чтобы при измерении искажений проходного сигнала усилитель находился в режиме A, а при измерении мощности – уже в режиме AB. В результате получаются красивые фигуры и плохой звук.
Меньший нагрев, чем в усилителях класса А
Общие принципы проектирования усилителей
Вкратце, усилитель состоит из последовательности усилительных каскадов, соединенных вместе. Хотя существуют и каскадные усилители. Каскад усиления – это часть усилителя, состоящая из одного или нескольких усилительных элементов, цепи нагрузки и соединений с другими каскадами. Усилительные элементы могут быть представлены электронными лампами, транзисторами и даже туннельными диодами.
Помимо прямой связи между каскадами, существуют отрицательные обратные связи, которые делают усилитель более стабильным и уменьшают искажения сигнала. Для этой цели термисторы используются в усилителях, напр. для стабилизации температуры во время работы усилителя, или частотно-зависимые элементы, выравнивающие парциальную характеристику.
Кроме того, аттенюаторы или потенциометры могут использоваться между каскадами усилителя, во входных и выходных цепях для регулировки степени усиления сигнала, а фильтры – для регулировки и настройки частотной характеристики.
Усилители можно разделить на аналоговые и цифровые. Конечно, 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-цифровому преобразованию, и выходной сигнал уже является цифровым сигналом.
(Упрощенная блок-схема усилителя класса D с выходом SE (Single Ended), изображение из Википедии, автор Yves-Laurent)
Усилитель класса D что это значит
SmartPulse – почувствуйте силу передовых технологий! Именно то, что доктор прописал!
Характеристики, тесты, обзоры мобильных устройств, компьютеров, аксессуаров, радиолюбительских конструкций и компонентов
Домашняя страница – Статьи – Преимущества и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB
Преимущества и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB
Введение: Принцип работы усилителей класса D и их главное преимущество – высокая эффективность
Идея усилителей класса D родилась в Советском Союзе, еще в 1951 году (Википедия).
Но это был тот случай, когда от идеи до крупномасштабного производства прошло несколько десятилетий.
Причиной этого было отсутствие подходящей компонентной базы.
Фактически, эти усилители могли оправдать заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах использовались высокоскоростные МОП-транзисторы с низким импедансом в открытом состоянии, а на их разработку ушли десятилетия.
(Упрощенная блок-схема усилителя класса D с выходом SE (Single Ended), изображение из Википедии, автор Yves-Laurent)
Этот тип усилителя класса D разработан для максимального использования преимуществ присущей ему концепции высокой эффективности усилителя.
Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:
– Транзистор закорочен и имеет высокое напряжение, но нулевой ток;
– Транзистор открыт и имеет низкое напряжение, но высокий ток.
В обоих состояниях рассеиваемая мощность транзисторов мала, в отличие от усилителей класса AB, для которых характерна работа транзисторов выходного каскада в режиме “высокий ток и высокое напряжение”.
Фактический аналоговый сигнал генерируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), затем полученное напряжение сглаживается фильтром и воспроизводится (фильтр требуется не всегда).
Осциллограмма ниже показывает выходное напряжение усилителя класса D (микросхема TDA3255) до фильтра (ШИМ) и после фильтра. Усилитель работает в режиме SE (Single Ended, т.е. без моста):
(картинка из обзора усилителя, работающего в классе D в конфигурации 2.1 на чипе TPA3255)
Частота ШИМ большинства популярных усилителей класса D внутренне колеблется в диапазоне от 400 кГц до 1,2 МГц.
Усилители класса D могут иметь КПД до 90% и выше.
Основным источником потерь является “остаточное” напряжение на выходных транзисторах при их смещении, которое не велико, но существует и, в сочетании с высоким током, может рассеивать до 10% мощности, потребляемой от источника питания (типичные потери составляют около 5%).
Есть и другие преимущества усилителей класса D, связанные с тем, что они обладают высокой эффективностью.
Во-первых, он требует гораздо меньшего рассеивания тепла, чем усилители класса AB. При выходной мощности до 10 Вт обычно нет необходимости в теплоотводе (иногда даже до 15 Вт).
Во-вторых, уменьшаются габариты и вес усилителя.
В-третьих, в приложениях с автономным питанием он может обеспечить длительное время автономной работы.
Отсутствие искажений при всплеске
В дополнение к высокой эффективности усилителей класса D, усилители класса AB полностью лишены недостатка “скачкообразных искажений”, характерного для усилителей класса AB.
В усилителях класса B это искажение вызвано тем, что верхнее плечо выходного каскада включается позже, чем нижнее, когда сигнал проходит через ноль. В результате сигнал на некоторое время зависает на нуле:
В усилителях класса AB такие искажения сигнала уменьшаются благодаря схеме, которая “сближает” уровни верхнего и нижнего плеч так, что они слегка перекрываются.
В современных системах низкочастотных усилителей мощности класса “AB” этот эффект заметен только на высоких частотах и в очень специфической форме: одна из полуволн сигнала может “звенеть” из-за асимметрии транзисторов в выходном каскаде.
Вот как этот эффект выглядит в схеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):
(фото из обзора усилителя TDA2050)
Частота “звона” выходит далеко за пределы человеческого уха, но аудиофилы утверждают, что этот эффект все равно портит звук, и что истинное качество звука можно получить только от ламповых усилителей.
В усилителях класса D этот эффект вряд ли может возникнуть, поскольку транзисторы выходного каскада работают в режиме переключения и момент пересечения нуля очень короткий.
Недостатки усилителей класса D
Таким образом, все преимущества и недостатки усилителей класса D были рассмотрены.
А теперь пора перейти к минусам!
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от импеданса нагрузки и ее характера (активная или активная с индуктивным элементом).
Причина этого элементарна. Если вы снова посмотрите на схему выходного фильтра усилителя (в начале статьи), то увидите, что это, по сути, колебательный контур.
При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс затухает и не заметен. Но когда вы увеличиваете сопротивление нагрузки и/или добавляете индуктивный компонент, это становится очевидным.
Для сравнения рассмотрим АЧХ усилителя класса D на микросхеме TDA7498 (обзор) с резистивной нагрузкой 8 Ом; а затем без нагрузки.
АЧХ получали путем подачи линейного сигнала нарастающей частоты на вход усилителя, а затем записывали форму волны, полученную в максимумах сигнала. Это амплитудно-частотная характеристика усилителя (обведена красной рамкой на изображении, за ней следует повторение цикла сигнала нарастающей частоты).
Таким образом, амплитудно-частотная характеристика усилителя класса D с 8-омной нагрузкой от 10 Гц до 20 кГц:
Теперь реакция холостого хода того же усилителя в том же диапазоне (10 Гц – 20 кГц):
Без нагрузки АЧХ начинает быстро увеличиваться по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.
2 Коэффициент демпфирования усилителей класса D ниже, чем у усилителей класса AB.
Коэффициент демпфирования – это отношение сопротивления нагрузки (динамиков) к выходному сопротивлению усилителя (плюс сопротивление кабеля от усилителя к динамикам).
Чем выше коэффициент демпфирования, тем лучше гасятся паразитные резонансы в динамике и тем лучше качество звука.
В усилителях класса AB отрицательная обратная связь (идущая непосредственно с выхода) позволяет поддерживать выходной импеданс усилителя как можно ближе к нулю во всем диапазоне частот.
Усилители класса D имеют фильтры на выходах, которые не вводятся в цепь обратной связи, и коэффициент ослабления никогда не может быть таким высоким, как в усилителях класса AB.
Фильтры имеют как омическое, так и индуктивное сопротивление, которые увеличиваются с ростом частоты.
Омическое сопротивление фильтра очень мало, менее 0,1 Ом. Однако, если конструкция усилителя не удалась, его можно увеличить путем нагрева (
0,4% для каждой стадии). Нагрев происходит как за счет теплопередачи от других компонентов, так и за счет “саморазогрева” от тока, протекающего в нагрузке.
Индуктивная реактивность (импеданс) фильтра увеличивается прямо пропорционально частоте, в соответствии с формулой XL = 2∏fL, где f – частота, L – индуктивность, XL – импеданс.
Например, для схемы TDA7498 в соответствии с техническим описанием (PDF) рекомендуется поместить индуктивность 22 мкГн в каждое плечо выхода моста; общая индуктивность составляет 44 мкГн.
Для частот выше 1 кГц импеданс фильтра больше не может быть опущен.
Существуют также усилители класса D без фильтров. В данном случае фильтром является катушка динамика.
Такая конструкция усилителей класса D приемлема, если мощность невелика (обычно до 5 Вт) и длина кабелей к колонкам невелика; а генерируемые при этом радиопомехи будут слабыми.
Теоретически, повышенные радиочастотные помехи от усилителей можно было бы зарегистрировать как отдельный дефект, но на практике радиочастотные помехи возникают только при наличии явных ошибок в конструкции усилителей.
Например, это возможно, когда усилитель высокой мощности проектируется без фильтров.
Кабель, идущий от усилителя к колонкам, становится хорошей излучающей антенной, а крутые края излучают не только основную частоту ШИМ, но и десятки гармоник.
3. линейность усилителей класса D может быть хуже, чем усилителей класса AB.
Это происходит потому, что внутри усилителя находится генератор пилообразного напряжения, с которым сравнивается входное напряжение для создания выходных импульсов ШИМ. Если генерируемое пилообразное напряжение имеет нелинейности, они будут непосредственно передаваться на вход.
Другим возможным источником нелинейности являются выходные LC-фильтры (если имеются). И индуктивность, и емкость могут быть нелинейными; но индуктивность чаще всего нелинейна (в зависимости от качества используемого феррита).
4. шум от источника питания может передаваться на выход
Усилители класса D обычно оснащены схемами подавления мощности, но из-за физических принципов работы усилителей класса D такое подавление не может быть полным.
Это происходит потому, что транзисторы выходной мощности фактически замыкают выход усилителя на источник питания, когда он открыт. В течение этого времени помехи от источника питания будут немедленно достигать выхода. Способ устранения очевиден: улучшить фильтрацию напряжения питания.
Резюме и выводы
Усилители класса D совершили небольшую революцию в усилительной технике, но только в плане эффективности и ее последствий, то есть возможности уменьшить размеры звуковоспроизводящих устройств и увеличить их автономность (при необходимости).
Что касается качества звука, то здесь революции не произошло. Если что и изменилось, то не в лучшую сторону.
Некоторые преимущества усилителей класса D с точки зрения качества звука (в виде полного устранения искажений от всплесков) едва заметны по сравнению с современными высококачественными схемами усилителей мощности класса AB.
Но в то же время, негативные эффекты, связанные с более высоким выходным сопротивлением в высокочастотном диапазоне, вряд ли будут ощутимы в системах с постоянной нагрузкой и достаточно хорошими акустическими системами.
Вывод: повышение эффективности (и его последствия) можно считать самым большим и единственным изменением в работе усилителей класса D по сравнению со “старыми добрыми” усилителями класса AB.
Читать далее:
Присоединяйтесь к группе SmartPuls.Ru 
Подключайтесь! Анонсы статей и обзоров, текущие события и мысли о них.
Ваш врач.
Порекомендуйте этот сайт своим друзьям и одноклассникам
Как обычно, флуд, флейм и офф-топик в комментариях запрещены.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, ненормативную лексику, пропагандировать или поощрять незаконную деятельность. Соблюдение закона в ваших интересах!
Доктора! (Администрация сайта – контакты и информация)
Группа компаний SmartPuls.Ru Контакт – просмотр объявлений, текущих событий и мыслей о них
Усилители класса D обычно называют нелинейными импульсными устройствами, также известными как ШИМ-усилители.
Как классифицировать усилитель
При выборе усилителя важно понять, как он устроен и как работает на всех уровнях мощности. Сам по себе этот механизм ничего не усиливает, работая по принципу крана.
От источника питания ток протекает через драйвер. Транзисторы в усилителе действуют как кран, закрывая или открывая поток тока. Специальный сигнал управляет степенью закрытия устройства. Специфика работы транзисторов влияет на категорию оборудования.
В моделях AB транзисторы открываются и закрываются непропорционально входящим сигналам. Параметры, однако, остаются неизменными. Подобно водопроводному крану, вода сначала течет медленно, а затем внезапно превращается в сильный поток. Эта особенность требует, чтобы транзисторы оставались полуоткрытыми даже при отсутствии сигнала. Это позволяет им включаться сразу, не дожидаясь подачи питания.
Усилители D работают аналогичным образом. В нем также используются выходные транзисторы, которые могут открываться и закрываться во время работы. Он регулирует подачу тока к динамикам. Транзисторы управляются специальным сигналом, который отличается от входного сигнала. Транзисторы могут закрываться или открываться. Промежуточные позиции не предусмотрены. При таком подходе можно добиться желаемой производительности.
Используя выходной дроссель, можно изменить конфигурацию принимаемого сигнала. В нем также используется конденсатор для создания усиленного выходного сигнала в форме входного сигнала.
Устройства D характеризуются повышенной эффективностью и экономичным потреблением энергии. Они используются для организации акустических инсталляций. А их относительно небольшой размер полезен, когда нужно организовать хороший звук в ограниченном пространстве.
Если место в помещении ограничено, то блок AB, способный обеспечить хороший КПД благодаря быстрым транзисторам, является приемлемым вариантом.
Когда речь идет о сабвуферах, устройства, работающие в классе D, имеют большее преимущество. Сабвуферы требовательны к мощности, поэтому эффективность является ключевым фактором.
Рынок предлагает пользователям широкий выбор усилителей. Вы можете легко купить необходимое вам оборудование в Москве или любом другом городе. Самое главное – учесть класс устройства и выбрать подходящие характеристики для конкретной акустической системы.
Читайте далее:
