Класс усилителя: Что такое классы усилителей мощности?

Что такое классы усилителей мощности?

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификации усилителя или смотрели обзоры аудио техники, вы могли заметить термин “класс усилителя”. Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенные классы усилителей, используемые в настоящее время в бытовой аудиотехнике – это классы A, A / B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами оценки, а описывают топологию усилителя, т.е. режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы) на базовом уровне. В то время как каждый класс усилителей имеет свой собственный набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивается конечная производительность) остается прежней: усилить форму волны, отправляемую на него предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере с минимальными искажениями . Так что же означает этот алфавитный набор классов усилителей?

Весьма вероятно, что принцип работы классов окажется сложным для понимания, поэтому самое главное что нужно запомнить это:

1. Класс А практически не используется в современных аудио устройствах. Исключение составляют лишь экзотические Hi-End усилители. Главный минус класса А это низкая эффективность (КПД не более 25%). Такой усилитель потребляет много энергии, выделяет еще больше тепла но выдает мало мощности. Преимущество класса А это высокая точность воспроизведения и низкие искажения.
2. Класс B не используется в домашних аудио устройствах.
3. Класс AB самый распространенный на сегодня класс среди усилителей мощности. Большинство AV-ресиверов для домашних кинотеатров и стереоусилителей относятся к классу AB.
4. Класс D становится все лучше и лучше. Если вам интересен принцип его работы, мы покажем его ниже. Самое главное, что нужно знать, усилители класса D обладают очень высокой эффективностью (90%) и компактными размерами. Сегодня усилители этого класса все чаще используются в домашнем аудио и повсеместно в профессиональной аппаратуре и портативных устройствах. И класс D не означает цифровой, это была просто следующая буква в алфавите, потому что класс C, как и класс B не используется в аудио устройствах.
5. Классы G,H официально не признаны и представляют собой вариации на тему класса A / B.

Вступление

Усилитель мощности звука предназначен для управления громкоговорителями. Для этого ему необходимо подавать большое количество вольт и большой ток на нагрузку с низким сопротивлением в широком диапазоне частот, от ниже 20 Гц до, возможно, 40-50 кГц, без слышимых искажений.

Для усилителя с номинальным среднеквадратичным значением 100 Вт, выдающего синусоидальную волну, пиковое выходное напряжение должно превышать +/- 40 В для резистивной нагрузки 8 Ом и пикового тока +/- 5 А. На практике может потребоваться гораздо больший ток, чтобы управлять настоящими громкоговорителями, импеданс которых на некоторых частотах значительно ниже 8 Ом; в приведенном выше примере типичным требованием будет +/- 8 ампер. Чтобы управлять сегодняшними нагрузками 4-8 Ом при 100 Вт, это значение следует увеличить до +/- 12 ампер или более.

В реальной жизни питание должно быть ближе к +/- 50 В, а не к теоретическому минимуму +/- 40 В, чтобы учесть внутрисхемные потери.
Такие высокие мощности означают, что большое количество тепла обычно рассеивается в самом усилителе, особенно в выходном каскаде. Это дорого, потому что требует физически больших массивов выходных транзисторов, массивных радиаторов и силового трансформатора подходящего номинала.

Таким образом, эффективность имеет значение, потому что более эффективные усилители генерируют меньше отходящего тепла и экономят как деньги, так и потребление энергии. Как мы увидим, различные классы усилителей, показанные ниже, сильно различаются по своей эффективности, сложности, стоимости и точности воспроизведения. Разработчики усилителей стараются найти лучший из них для требований рынка. 

Класс А

Самые простые усилители звука – несимметричные и класса А; то есть они используют только один выходной транзистор, который всегда является проводящим, независимо от формы выходного сигнала. Класс A имеет линейность от хорошей до превосходной (и, следовательно, высокую точность воспроизведения / низкие искажения), но очень низкий КПД. Он почти никогда не используется в выходных каскадах усилителя мощности, но идеально подходит для входных каскадов и каскадов высокого уровня усилителя мощности.
На потребительском рынке есть несколько примеров двухтактных усилителей класса А (Krell, Sugden и т. д.). В них используются пары дополнительных (противоположных полярностей) выходных транзисторов, которые при низких уровнях сигнала пропускают весь ток, необходимый для управления подключенным громкоговорителем на полной номинальной мощности. Для приведенного выше примера 100 Вт / 8 Ом будет означать, что транзисторы выходного каскада будут смещены на 2,5 А. При напряжении питания не менее +/- 40 В выходные каскады рассеивают 200 Вт при отсутствии вывода на громкоговоритель – и это только для одного канала!

Из-за положительных качеств, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих кругах аудиофилов. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток: эффективность. Требование к конструкциям класса А иметь все выходные устройства всегда проводящими приводит к значительным потерям энергии, которая в конечном итоге преобразуется в тепло. Это еще больше усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель производит нулевой выходной сигнал. Реальные показатели эффективности класса A могут составлять порядка 15-35% с потенциалом падения до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В двухтактных усилителях класса B каждый выходной транзистор проводит только половину (180 градусов) формы сигнала. Когда нет сигнала, ни один из транзисторов не проводит ток – полная противоположность усилителю класса А. Верхний транзистор NPN пропускает только положительные части сигнала, оставляя нижний транзистор PNP выключенным. И наоборот, нижний транзистор проводит только отрицательные части сигнала, оставляя верхний транзистор выключенным. Усилители класса B намного более эффективны, чем усилители класса A, но они имеют высокие искажения из-за сильной нелинейности в области перехода, где два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Эта форма искажения, называемая кроссоверным искажением, чрезвычайно неприятна для слуха, и поэтому ни в одной конструкции коммерческого усилителя не используется чистый класс B.

Класс AB

Комбинация класса A и класса B, усилитель класса AB имеет гораздо более высокий КПД, чем класс A, но гораздо меньше искажений, чем класс B. Это достигается за счет смещения точки перехода обоих транзисторов – точка. где усилители класса B вносят существенную нелинейность. Затем они переходят в класс B для больших сигнальных токов. Для любой данной конструкции усилителя будет оптимальный ток смещения, который минимизирует (но не устраняет полностью) кроссоверные искажения. Типичный ток смещения составляет 50 мА; таким образом, рассеиваемая мощность в нашем выходном каскаде мощностью 100 Вт составляет 80 В x 50 мА = 4 Вт, что составляет всего 2% от приведенного выше примера класса A. Большинство коммерческих усилителей мощности относятся к классу AB.

На практике ток смещения может отклоняться от оптимума со временем, температурой и уровнем сигнала, и это увеличивает остаточные искажения кроссовера. Было вложено много изобретательности в попытки улучшить это с переменным успехом. Один хороший подход состоит в том, чтобы выключать непроводящий транзистор намного медленнее, чем в обычных конструкциях, используя сочетание положительной и отрицательной обратной связи в выходном каскаде, чтобы он мог работать почти в классе A с выходной мощностью около 10 Вт. 
Легко понять, почему такие конструкции ограничены относительно низкой максимальной мощностью (20–50 Вт (среднекв.) На канал), перегреваются и являются чрезвычайно дорогими.

Класс D

В усилителях класса D используется другой метод, при котором выходные транзисторы (обычно полевые МОП-транзисторы) быстро включаются и выключаются с гораздо большей частотой, чем самый высокий звуковой сигнал, который необходимо воспроизвести. Звуковой сигнал используется для модуляции или изменения соотношения времени включения и выключения сигналов – отсюда и альтернативное название для класса D, класс широтно-импульсной модуляции или ШИМ. Среднее значение этого выходного сигнала после фильтрации нижних частот соответствует фактической требуемой форме звукового сигнала. Обратите внимание, что это по-прежнему аналоговый усилитель – термин цифровой усилитель часто используется для обозначения класса D, но это просто неверно.

Преимуществом класса D является его высокий КПД (80-90%), поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы. Его энергопотребление в режиме покоя сопоставимо с усилителем класса AB. К недостаткам относятся необходимость в дорогих выходных фильтрах, а также некоторая степень электромагнитного излучения / помех от усилителя и кабелей громкоговорителей из-за высоких частот переключения. В целом его качество звука не такое хорошее, как у приличного усилителя класса AB, хотя для лучших представителей класса D этот разрыв сокращается.

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, у которых есть контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП впереди ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они обычно предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть небольшая проблема выходного фильтра: обычно это LC-цепь (катушка индуктивности и конденсатор), размещенная 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, которые не используют обратную связь на этом этапе отклик может быть настроен на конкретный импеданс, когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от того какую 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 вместе 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. 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 верно, когда два усилителя мощности с сопоставимым номиналом оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог обеспечивать более высокие динамические уровни мощности.  Тем не менее, конструкции SMPS становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны. Эти термины относятся к классам усилителей, в которых в интересах более высокого КПД, чем у класса AB, напряжения питания выходного каскада меняются в зависимости от уровня сигнала. Это связано с тем, что отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде музыки довольно велико – обычно 3 к 1 – поэтому полное напряжение источника питания требуется редко. Если вышеупомянутый выходной каскад мощностью 100 Вт обычно работает только при, скажем, +/- 20 В, а не +/- 40 В (теоретическое минимальное значение), то при воспроизведении музыки он будет в среднем намного холоднее. Конечно, сейчас необходимы дополнительные источники питания, но эти затраты могут быть в значительной степени компенсированы меньшим тепловыделением (и меньшими размерами) всей системы.

Термины G и H часто путают – здесь мы используем термин класс G для обозначения усилителей, у которых есть две (или более) пары шин питания, доступных для выходных транзисторов. Они могут переключаться жестко при заданном уровне сигнала или мягко, при этом более высокие шины, представленные на выходном каскаде, модулируются в соответствии с уровнем выходного сигнала. Это соответствует форме выходного сигнала вверх и вниз, чтобы поддерживать небольшое постоянное напряжение около 5 В на выходных транзисторах при высоких уровнях сигнала. 
Усилители класса H используют только один источник питания для выходных каскадов, который можно изменять либо дискретно, либо непрерывно. Он требует более сложной схемы для прогнозирования и управления напряжением питания и отлично подходит для компактных усилителей очень большой мощности, используемых в профессиональных туровых акустических системах (PA).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах переключения шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость.  В наши дни это часто сокращается за счет использования сильноточных полевых МОП-транзисторов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей. Помимо стоимости самой коммутации шины / модуляции 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 дня, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность делает это целесообразным. Компактные конструкции также могут 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.  

Один усилитель на все случаи жизни?

При правильной реализации любая из вышеперечисленных схем, помимо чистого класса B, может стать основой высококачественного усилителя. Неубедительно? Тогда давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждой схемы:

Класс усилителя	Типичная эффективность	Плюсы	Минусы
А	~ 15-35%	Нет кроссоверного искажения.	Неэффективность = нагрев Несимметричные конструкции подвержены гудению и более высокому уровню искажений.
B	~ 70%	Сравнительно высокий КПД.	Возможность значительного кроссоверного искажения и ухудшения качества воспроизведения
А / B	~ 50-70%	Более эффективен, чем класс А. Относительно недорогой. Кроссоверные искажения являются спорным вопросом.	КПД хороший, но небольшой.
G и H	~ 50-70%	Повышенная эффективность по сравнению с классом A / B.	Дороже, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достижимы в меньшем форм-факторе.
D	> 90%	Наилучшая эффективность Легкий вес.	Широтно-импульсные модуляторы, работающие на относительно низких частотах, могут поставить под угрозу воспроизведение высокочастотного звука. Некоторые конструкции обеспечивают разное качество звука 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 преобладает класс A / B, и по уважительной причине: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для устройств с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы 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 недостаток эффективности в надежде на более чистый звук.

Резюме

В конце концов, классы усилителей не так важны, как некоторые могут подумать. 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 вы не собираетесь использовать его в качестве духовки. С другой стороны, различия между классами на самом деле не определяют качество звука. В итоге все сводится к проектированию и реализации конечного продукта.

Усилители. Классификация усилителей

• org/Breadcrumb” itemref=”bx_breadcrumb_1″> Главная страница
• Усилители
• Усилители. Классификация усилителей

Усилители в каталоге

Классификация усилителей

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

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

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

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

Класс А

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

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

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

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

Характеристики	Pass Labs XA 200. 5	Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность	200 Вт	25Вт
Коэффициент гармонических искажений	1% (400Вт)	не указывается
Диапазон воспроизводимых частот	1.5 – 100000 Гц	20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность	700 Вт	500 Вт
Масса	81 кг	25 кг

Представитель усилителей класса А – Unison Research Sinfonia

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

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

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

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

Класс АВ

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

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.

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

Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:

Представитель усилителей класса АВ – AudioLab 6000A

Класс H

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

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

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

Класс D

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

Блок схема цифрового усилителя

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

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

График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

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

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

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

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

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

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

Представитель усилителей класса D – Cambridge Audio EVO75

Класс G

Подобно гибридному автомобильному двигателю, класс G использует несколько источников напряжения питания, а не один. Если получен динамический сигнал, выходящий за пределы возможностей этого первого источника питания, вторичный источник постепенно доводится до полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию в качестве дополнительной мощности и используется только при необходимости. Такой тип усиления спокойно относится к акустике с низкой чувствительностью или если необходимость в высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.

Первый блок питания имеет меньшую мощность, и в этом диапазоне мы работаем в чистом классе A, в котором нет кроссоверных искажений. Поскольку вторичный источник используется только при необходимости, возможны экстремальные уровни мощности, потому что очень мало энергии теряется в усилителе в виде тепла, когда он не используется.

Плюсы:
высокая эффективность;
низкая теплоотдача;
компактность.

Минусы:
стоимость.

Представитель усилителей класса G – ARCAM HDA SA30

Какой класс усилителя лучше?

от Crutchfield’s

Я принадлежу к культуре прекрасных образов и звуков, и мне нравится распространять информацию.

Я с детства возился с электроникой, начиная с разборки и сборки телевизоров и радиоприемников. Я всегда снова собирал их вместе и работал. Подростком я прошел курсы радио и электроники и стал радиолюбителем. Я работал в школьной постановочной бригаде, управляя звуком, светом и кинопроектором. После колледжа я присоединился к рок-н-ролльной группе в качестве звукорежиссера и научился таскать с собой и управлять оборудованием, благодаря которому музыка звучит хорошо и громко.

Работая в музыкальном магазине в Остине, штат Техас, я несколько лет занимался производством, установкой, ремонтом и эксплуатацией звуковых систем. Нашими клиентами были студии звукозаписи, ночные клубы и гастролирующие группы. В конце концов я вернулся в Шарлоттсвилль, штат Вирджиния, и открыл небольшую студию звукозаписи. В 2006 году я, наконец, пришел в себя и устроился на эту работу в Crutchfield. На самом деле они платят мне за то, чтобы я болтал, разглагольствовал и объяснял, что мне нравится в музыке, электронике и хорошем звуке.

Учитывая мой опыт, меня поручили написать о самых сложных электронных продуктах, которые продает Кратчфилд: автомобильные усилители, процессоры цифровых сигналов, электропроводка, профессиональные звуковые микшеры и акустические системы.

Подробнее о Buck

• Начал работу в компании Crutchfield в 2006 г.
• Прошел тщательное обучение внутренних консультантов, изучив тонкости различных продуктов
• Разработал и организовал электрические схемы сабвуферов Crutchfield
• Получает актуальную информацию, посещая обучающие семинары для поставщиков по новым продуктам
• Получение сертификата MECP (сертифицированный профессионал в области мобильной электроники)
• Автор десятков статей о Crutchfield и сотен презентаций продуктов, в основном посвященных автомобильным аудиоусилителям и профессиональному аудиооборудованию
• Отвечает на многие вопросы клиентов, размещенные в комментариях к его статьям
• Звукорежиссер на пенсии с многолетним опытом создания хорошего звука для других людей
• С 1999 по 2018 год также работал оператором видеокамеры на футбольных и баскетбольных матчах Университета Вирджинии.

Еще от Бака Померанца и усилители

Что делает звуковой процессор?

Лучшие многоканальные автомобильные усилители на 2023 год

Входы уровня динамиков или преобразователь линейного выхода (LOC)?

Что такое класс усилителя? То, как усилитель сочетает мощность и сигнал , определяет его класс. Какой класс лучше, зависит от ваших потребностей:

• Конструкция класса А наименее эффективна, но обеспечивает высочайшее качество звука.
• Конструкция класса B немного более эффективна, но полна искажений.
• Конструкция класса AB обеспечивает энергоэффективность и хороший звук.
• Конструкция класса D отличается высочайшей эффективностью и минимальной занимаемой площадью. Это современное чудо усиления звука.

И обязательно посмотрите наше видео ниже.

Ниже мы используем несколько ссылок на автомобильные аудиосистемы, но принципы проектирования усилителей одинаковы для всех аудиоусилителей — автомобильных, домашних и переносных устройств.

Основы работы с усилителем

Как правило, автомобильный усилитель работает за счет преобразования 12-вольтового постоянного тока, поступающего в усилитель, в переменный ток и повышения напряжения с помощью трансформатора. Затем он объединяет эту мощность высокого напряжения с аудиосигналом, поступающим из стереосистемы, чтобы создать выходную версию слабого входного сигнала с высоким напряжением и высоким током.

Усилитель класса представляет собой систему для объединения мощности и сигнала. Класс усилителя отличается от усилителя к усилителю, а эффективность и качество звука зависят от используемой конструкции. Во всех конструкциях группы выходных транзисторов, каждая из которых представляет собой небольшой усилитель, добавляют свою общую мощность вместе, чтобы обеспечить конечный выходной сигнал усилителя.

Внутри Rockford Fosgate T500-1bdCP показаны трансформатор (катушка красного и зеленого проводов) и выходные транзисторы (черные прямоугольники, приклеенные к радиатору белой термопастой).

Тепло — враг

Усилители всегда производят меньше энергии, чем потребляют. Эффективность усилителя — это отношение того, что он выдает, к тому, что он потребляет от электрической системы. Ни один усилитель не эффективен на 100%, выдавая именно то, что потребляет, и усилитель не может выдавать больше мощности, чем потребляет. Энергия, которая не доходит до выходных клемм, является потраченной впустую энергией, которая превращается в тепло. Слишком большое количество тепла разрушит выходной сигнал усилителя и его внутренние компоненты.

Различные классы усилителей выделяют разное количество тепла. См. описание каждого класса ниже.

Посмотреть видео классов усилителей

Классы усилителей — в чем разница?

Усилитель можно сконструировать по-разному, но тепло — враг. Понятно. Теперь давайте поговорим о различных классах дизайна усилителей.

Усилители класса А — высококачественный источник тепла

Выходные транзисторы усилителя класса А работают с «постоянным смещением», то есть они всегда работают на полную мощность независимо от наличия входного сигнала или его отсутствия. При отсутствии сигнала мощность транзисторов превращается в тепло. Когда есть сигнал, питание отключается от клемм динамика. Кроме того, каждый выходной транзистор класса A усиливает как отрицательную, так и положительную части напряжения переменного тока сигнала, увеличивая рабочую нагрузку и выделяя больше тепла. Усилители класса А обычно работают с КПД около 25%. Это означает, что 75% их энергии превращается в тепло.

Усилитель высочайшего качества Класс

Поскольку каждый транзистор выходного каскада всегда включен, отсутствуют циклы включения, выключения, прогрева или охлаждения, влияющие на прохождение сигнала. Фактически, в этих условиях транзисторы работают наиболее линейно, без искажений. И поскольку переключения не происходит, нет и наведенных высокочастотных помех. Усилители чистого класса А редки, дороги и никогда не используются в автомобильной аудиосистеме. Иногда вы найдете их в домашнем аудио и гитарных усилителях.

Усилители класса B — двухтранзисторное решение

Усилители класса B облегчают работу каждого выходного каскада, заменяя один транзистор двумя транзисторами, установленными в так называемой «двухтактной» схеме. Один транзистор усиливает части отрицательного напряжения сигнала переменного тока, а другой заботится о положительном напряжении, а затем они объединяются в единый выход. Каждый транзистор включен половину времени и выключен другую половину.

Эффективность с низкой точностью воспроизведения

Усилители класса B намного более эффективны, чем усилители класса A — примерно на 50% — но создают искажения при включении и выключении двух транзисторов. Это «кроссоверное искажение» настолько плохо, что очень немногие производители предлагают или производят усилители чисто класса B.

Усилители класса AB — более высокая точность воспроизведения

Каждая из двухтактных пар выходных транзисторов в усилителе класса AB находится во включенном состоянии более половины времени, и они также не включаются и не выключаются внезапно. Это придает усилителю характеристики усилителя класса А, когда сигнал маломощный и проходит через оба транзистора, и усилителя класса В, когда мощность высока. Для каждого усилителя существует оптимальный ток смещения, т. е. время, в течение которого оба транзистора пропускают ток, что сводит к минимуму перекрестные искажения конструкции класса B.

Усилители класса AB повсюду

Результатом такой конструкции является то, что усилители класса AB имеют гораздо более высокий КПД, чем усилители класса A, примерно до 60%, и намного меньше искажений, чем усилители класса B. Большинство усилителей для домашних кинотеатров и стереосистем, а также многие автомобильные усилители относятся к классу AB.

До недавнего времени использование усилителя AB было единственным практичным выбором для достижения высококачественного полнодиапазонного усиления, но сейчас создаются усилители класса D, обладающие такой же точностью. (Однако класс A по-прежнему является победителем по точности.)

Усилители класса D — популярные короли эффективности

Усилители класса D работают уникальным образом. Бортовая схема создает очень высокочастотные (часто более 100 кГц) импульсы постоянного тока. Затем ширина каждого импульса изменяется входным сигналом — чем шире импульс, тем громче сигнал. Это называется широтно-импульсной модуляцией или ШИМ. Эти импульсы постоянного тока проходят через усилительные выходные транзисторы, создавая выходную мощность высокой мощности. Поскольку они получают импульсы постоянного тока, а не аналоговые сигналы, транзисторы, также называемые полевыми МОП-транзисторами, либо работают на полную мощность, либо выключены без питания. Это самый эффективный способ запуска этих транзисторов — целых 90% эффективности в некоторых случаях.

Эффективный… и плавный

После усиления фильтр нижних частот сглаживает выходной сигнал, поэтому усилитель выдает не импульсы мощности, а непрерывный аналоговый выходной сигнал. Он также устраняет помехи, создаваемые этими высокочастотными импульсами постоянного тока.

D не означает цифровой

Хотя создание сигнала путем быстрого включения и выключения транзисторов напоминает цифровую обработку с использованием нулей и единиц, усилители класса D не являются цифровыми устройствами. Некоторые из них могут иметь цифровые схемы управления, но схемы усилителей будут строго аналоговыми.

Класс D стал лучшим выбором

Когда они впервые появились на рынке, усилители класса D использовались только для баса из-за большого количества шума, который они создавали. Но это определенно изменилось за эти годы.

Современные усилители класса D популярны, потому что они меньше, легче и меньше нагреваются, чем усилители других классов с такой же мощностью. Это большие преимущества, когда вам нужно установить усилитель в транспортное средство или возить его с собой на концерты. Вы даже найдете усилители класса D в высококачественном домашнем аудиооборудовании, где они настроены на невероятное воспроизведение звука.

Небольшой размер, очень мало тепла и много энергии. Класс D — это место действия.

Другие классы усилителей

Существуют и другие технологии, используемые в выходных каскадах усилителей, обычно усовершенствования конструкции класса AB, такие как Class G, Class H, Rockford Fosgate Boosted Rail и Alpine Dynamic Peak Power. Обычно они различными способами манипулируют собственным источником питания усилителя, чтобы более эффективно добавлять мощность по запросу. Гибридные комбинации всех этих технологий можно найти во многих усилителях, выпускаемых сегодня.

Два усилителя 50 Вт RMS x 4: Alpine KTA-450 класса D (слева) и Rockford Fosgate 50×4 класса AB (справа). И это веб-редактор Car A/V Роберт Ф.В. поделился своим опытом.

Запутались и ищете усилитель? Позвоните нам.

В современных автомобильных усилителях вы, вероятно, не услышите различий между усилителями разных классов, особенно во время вождения. Но полезно знать, в чем заключаются эти различия, чтобы вы могли принять обоснованное решение о том, какой усилитель подойдет вам лучше всего.

Ознакомьтесь со всем ассортиментом автомобильных усилителей Crutchfield. Оказавшись там, вы можете сузить свой фокус, отфильтровав выбор для каждого класса усилителя. А если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна помощь, свяжитесь с нашими экспертами-консультантами по телефону или в чате.

A, B, AB, C, D и т. д. » Примечания по электронике

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

Концепции дизайна усилителя Включает:
Основные понятия Классы усилителей

Усилители классифицируются в зависимости от того, как они смещаются и как они работают.

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

Класс усилителя выбирается исходя из общих требований. Различные классы усилителей имеют разные характеристики, что позволяет усилителю работать определенным образом, а также с определенным уровнем эффективности.

Обзор классов усилителей

Различные классы усилителей обеспечивают различные рабочие характеристики. Это делает разные типы классов усилителей подходящими для разных ситуаций. Табличная сводка их различных характеристик приведена ниже.

Усилители класса А

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

Усилитель класса A по своей природе является наиболее линейной формой усилителя, и он обычно смещен, чтобы гарантировать, что выходной сигнал самого устройства, прежде чем он будет пропущен через разделительный конденсатор или трансформатор, находится на уровне половины напряжения шины, допуская скачки напряжения. одинаково по обе стороны от этой центральной точки. Это означает, что самый сильный сигнал может быть обработан до того, как он попадет на верхнюю или нижнюю шину напряжения.

Обычно усилитель класса A начинает становиться нелинейным по мере того, как сигнал приближается к любой из шин напряжения, поэтому обычно не допускают такой ситуации.

Для правильной работы усилителя в условиях класса А ток без сигнала в выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки для пика любого сигнала.

Поскольку выходное устройство всегда проводит ток, этот ток означает потерю мощности в усилителе. На самом деле максимальный теоретический КПД, которого может достичь усилитель класса А, составляет 50 % с индуктивной выходной связью или всего 25 % с емкостной связью. На практике фактические полученные цифры намного меньше по целому ряду причин, включая потери в цепи и тот факт, что формы сигналов обычно не остаются на своих максимальных значениях, при которых достигаются максимальные уровни эффективности.

Соответственно, усилитель класса А обеспечивает линейный выход с наименьшими искажениями, но он также имеет самый низкий уровень эффективности.

Усилители класса B

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

Для этого используются два активных устройства, а форма входного сигнала разделяется таким образом, что одно активное устройство проводит в течение половины периода ввода, а другое — в течение другой половины. Две половины суммируются на выходе усилителя для восстановления полной формы волны.

Иногда усилители класса B называют «двухтактными», потому что выходы активных устройств имеют соотношение фаз 180°. Однако в наши дни этот термин используется менее широко – он был очень распространенным, когда использовались вакуумные трубки / термоэлектронные клапаны, а в последние годы этот термин вышел из употребления.

Эффективность намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемых перекрестных искажений, когда одна половина усилителя отключается, а другая вступает в игру. Это происходит из-за нелинейности, возникающей вблизи точки переключения, когда одно устройство включается, а другое выключается. Эта точка общеизвестно нелинейна, и искажение особенно заметно для сигналов низкого уровня, где нелинейный участок кривой представляет гораздо большую часть общего сигнала.

Хотя максимальный теоретический КПД усилителя класса B составляет 78,5 %, типичные уровни КПД намного ниже.

Усилители класса AB

Как и следовало ожидать, усилитель класса AB находится между классом A и классом B. Он стремится преодолеть перекрестное искажение, слегка открывая транзисторы, чтобы они проводили чуть больше половины цикла, а два устройства перекрывались на небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая кроссоверные искажения.

Этот подход означает, что усилитель жертвует некоторой потенциальной эффективностью ради лучшей линейности — переход в точке кроссовера выходного сигнала гораздо более плавный. Таким образом, усилители класса AB жертвуют некоторой эффективностью ради снижения искажений. Соответственно, класс AB является гораздо лучшим вариантом, когда необходим компромисс между эффективностью и линейностью.

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

• Класс AB1:   В классе AB1 сеть имеет более отрицательное смещение, чем в классе A. В классе AB1 клапан смещен так, что ток сети не течет. Усилитель этого класса также дает меньшие искажения, чем усилитель класса AB2.
• Класс AB2:   В классе AB2 сетка часто имеет более отрицательное смещение, чем в AB1, а размер входного сигнала часто больше. В этом классе ток сетки течет в течение части положительного входного полупериода. Обычно точка смещения сетки класса AB2 находится ближе к отсечке, чем в классе AB1, а класс AB2 дает большую выходную мощность.

Усилители класса С

Усилитель класса C смещен так, что его проводимость намного меньше половины периода. Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достичь очень высоких уровней эффективности. Этот тип усилителя можно использовать для ВЧ-усилителей, которые передают сигнал без амплитудной модуляции — его можно без проблем использовать для частотной модуляции. Гармоники, создаваемые усилителем, эффективно работающим в режиме насыщения, могут быть удалены фильтрами на выходе. Эти усилители не используются для звуковых приложений из-за уровня искажений.

обычно используется одно активное устройство, которое смещено в область выключения. При подаче сигнала верхние пики сигнала заставляют устройство входить в проводимость, но, очевидно, только на небольшую часть каждого цикла входного сигнала.

На выходе схема использует высокодобротный LC-резонансный контур. Эта схема эффективно звонит после того, как на нее попадает каждый импульс, так что выходной сигнал содержит приближение к синусоиде. На выходе требуется фильтрация, чтобы гарантировать достаточно низкий уровень гармоник.

Как правило, угол проводимости транзистора значительно меньше 180°, часто около 90°. Уровни эффективности могут достигать 80 %, но значения 66 % являются более нормальными, если принять во внимание потери в цепи и т. д.

Усилитель классов от D до T

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

• Усилитель класса D:   Аудиоусилитель класса D использует технологию переключения внутри усилителя. Поскольку выходные устройства либо включены, либо выключены, усилители класса D теоретически могут достигать уровня эффективности 100%. В действительности достигнутые уровни меньше, но, тем не менее, достигнутые уровни эффективности намного выше, чем у других аналоговых классов.

  Один из первых усилителей класса D для аудио был представлен компанией Sinclair в Великобритании примерно в 1964 году. Хотя в теории концепция была хороша, усилитель работал не очень хорошо, а если и работал, то вызывал большое количество помех. помех для местных радио- и телеприемников, поскольку в то время меры предосторожности по электромагнитной совместимости обычно не применялись к оборудованию.

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

В настоящее время разработчикам доступно гораздо больше операционных классов усилителей. Современная кремниевая технология открыла гораздо больше дверей, но, несмотря на это, основные три класса усилителей: класс B и класс C с производным классом AB, представляющим собой нечто среднее между классами A и B, по-прежнему широко используются.