Как работают усилители класса D?
Принцип работы класс D заключается в приеме аналогового входного сигнала и создании его ШИМ-копии (широтно-импульсная модуляция), по сути серии импульсов, которая соответствует амплитуде и частоте входного сигнала. В самой основной форме для приведения в соответствие входного сигнала с ШИМ-сигналом используется схема сравнения. Далее ШИМ-сигнал усиливается выходным каскадом, используемым в режиме переключения, то есть в двух состояниях – вкл. и выкл., при очень высокой скорости, соответствующей ШИМ-импульсам. Выходные каскады линейного усилителя при сравнении отслеживают непрерывную форму сигнала и для устранения искажения включены на протяжении больше половины формы сигнала (класс А/В) или полной формы сигнала (класс А), таким образом значительно снижая эффективность и выделение тепла.
Усиленная ШИМ форма сигнала пропускается через фильтр нижних частот для восстановления формы аудиосигнала и устранения случайного ультразвукового шума перед выходом на колонки.
Этот процесс представляется цифровым, но по сути имеет аналоговый характер. Сигнал не оцифровывается, т.е ему не присваивается численное значение; серия ШИМ-импульсов представляет собой аналоговый входной аудиосигнал. Усилители класса D Rotel отличаются от других конструкций, доступных на рынке, инновациями в области формирования высокоточного ШИМ-сигнала (COM, что означает Controlled Oscillation Modulation – модуляция с управляемой генерацией) и контуров обратной связи (MECC, Multivariable Enhanced Cascade Control – многомерное усовершенствованное каскадное регулирование) для обеспечения стабильной характеристики фильтра, несмотря на переменное сопротивление динамиков. Говоря простым языком, это означает, что наши усилители класса D обеспечивают эффективность в полном частотном диапазоне при очень низком искажении в практическом применении, например, наших линейных усилителях, но с преимуществами малых размеров, сниженного выделения тепла и низкого энергопотребления.
Почему на рынке больше нет усилителей класса D? Для начинающих предприятий создание стабильных контуров в полном частотном диапазоне класса D при регулировании РЧ/ЭМИ побочных продуктов является не простым.
Небольшое количество компаний обладают достаточным техническим опытом. Кроме того, при этом требуется широкое применение компонентов поверхностного монтажа (КПМ), что снова превышает технические возможности большинства производителей аудиооборудования. Для реализации этих конструкций мы привлекли технологического партнера с вложением определенных средств.
К тому же есть еще один ключевой аспект, который часто вызывает затруднения. Импульсный источник питания (ИИП) не обеспечивает реализацию «коммутационных» усилителей. Как было описано выше, усилительный каскад представляет собой быстродействующую переключающую схему и определяет эту конструкцию как относящуюся к классу D. В усилителе класса D фактически может использоваться стандартный источник питания; а в линейном усилителе может использоваться ИИП. Традиционный источник питания накапливает большие объемы энергии, но затрачивает «избыточную» энергию, которая не требуется для нагрузки в процессе работы. ИИП приводит выходной сигнал в соответствие требованиям реального времени, подавая только питание, которое требуется для нагрузки, благодаря чему достигается экономичный режим работы.
В качестве аналогии можно рассмотреть водяной бак (линейное питание), который непрерывно пополняется с переливанием через край при недостаточной потребности, по сравнению с бесконечной серией ведер (ИИП), которая может быть замедлена или ускорена при необходимости. ИИП в наших усилителях класса D отражает тот факт, что схема усилителя D не требует значительного накопления энергии линейного усилителя мощности, так что более экономичный/компактный ИИП является более оптимальным выбором.
Подводя итоги, наши модели класса D обеспечивают следующее:
- Превосходные характеристики звука, подтвержденные многочисленными рецензиями и наградами. Устройства класса D производства Rotel являются наиболее совершенными в мире.
- Высокая энергоэффективность (90%+ по сравнению с 50-60% для усилителей класса А/В). В нашем мире с неуклонным ростом внимания к экологии этот аспект является очень важным.
- Компактные размеры по отношению к выходной мощности.
- Малое тепловыделение в связи с низкими потерями энергии на нагрев.
- Низкое выходное сопротивление обеспечивает высокий коэффициент демпфирования или управления динамиком.
- Низкое сопротивление с терпимостью к нагрузке.
Усилитель класса Д, специфика, задачи и преимущества цифровых технологий
Цифровая техника продолжает свое стремительное развитие – выбор усилителей класса Д постоянно расширяется. Поэтому стабильно возрастает актуальность вопроса, какой класс предпочтительнее для наших задач – цифровой или аналоговый тип?
Большинство аудиофилов, поклонников техники Hi-Fi готовы без лишних сомнений утверждать – выбор лучше делать в пользу аналоговых моделей. Уважаем их мнение, но с выводами спешить не будем, Просто сразу оговоримся – несмотря на все возможности аналоговых устройств, всё же будущее именно за цифровой техникой.
Принцип усилителя класса D – ключевые отличия, о которых нужно знать
Сигнал поступает в аналоговой форме, amplifier усиливает получаемый сигнал и передает его акустике. Принцип работы усилителя мощности звука D класса предполагает работу исключительно с цифровым сигналом.
Следовательно, сам сигнал поступает в цифровой форме, усиливается и после этого преобразуется в аналоговую форму для подачи к акустическим системам
История развития цифрового усилителя D класса
Пока Hi-Fi усилитель класса D не получил широкое распространение среди аудиофилов. Но подобная ситуация остается незаслуженной. Сложился стереотип, по которому большинство аудиофилов попросту заранее отвергают цифровые усилители, даже не планируя их прослушивать.
Изначально аудиофилы повесили на него «ярлык» цифровой усилитель. Несмотря на подобие работе цифровых схем, само устройство можно с уверенностью считать аналоговым.
Другим дискуссионным вопросом традиционно остается возраст Hi Fi усилителей класса D. Распространено мнение о его появлении совсем недавно, не имея достаточные ресурсы для построения сложных проектов. Но будем объективны – усилитель класса Д имеет богатейшую историю, проектировался впервые еще во времена радиоламп.
Однако первые коммерческие реализации привели к обнаружению ряда недостатков моно усилителей класса D для своего времени. Поэтому не удавалось обеспечить достойное качество звука на элементной базе, доступной в те времена.
Производители не прекращали изыскания в этом направлении, значительные инвестиции делали и ведущие представители индустрии Hi-Fi, включая Infinity и Sony. Но и подобные шаги не принесли успех – элементная база была недостаточной для раскрытия потенциала D класса. Кардинально исправить ситуацию позволили разработки 80-х годов – постепенно найдя признание в устройствах широкого профиля.
Плюсы типа усилителя класса D
Основным преимуществом усилителей класса Д становится энергоэффективность. Достижение лучших показателей подтверждают не просто теоретические выкладки, но и реальные цифры, данные замеров – подтверждая прирост КПД, добиться которого позволяет лишь переход от класса A до B либо AB.
Достижения в этом вопросе со стороны класса G и прочих кажутся попросту незначительными.
Автоусилитель Helix P Six DSP MK2
Благодаря специфике работы удается добиться впечатляющего уровня около 90-95% КПД. Для нагрева транзисторов задействованы только единицы процента энергии, поэтому можно работать с крайне малыми радиаторами. Чтобы на выходе обеспечить 100-200 Вт, усилителям AB класса необходимы радиаторы, которые будут занимать 1-2 боковых стенки корпуса. Благодаря специфике усилителя D класса достаточно минимального алюминиевого кусочка. Аналогична ситуация с размером платы усилителя мощности класса D – оказывается гораздо компактнее. Внимания заслуживает и меньшая себестоимость.
Возможные проблемы усилителя класса D
Повсеместное признание ценителей проектов Hi-Fi усилителям класса Д не удалось завоевать из-за наличия определенных слабых мест. Высокочастотный генератор может провоцировать помехи, сказывающиеся на качестве работы усилителя. Неподготовленные владельцы могут не заметить подобные изменения, но в Hi-Fi каждая деталь имеет значение.
Из-за высокого КПД усилителей класса Д возникает ощутимая зависимость аудио от блока питания. При работе с импульсным источником без достаточного количества съем фильтрации часть шумов будет проникать в колонки, нарушая общее впечатление. Плохой блок питания крайне не уместен с усилителями AB, но именно в классе Д проблема проявляется ярче всего.
Лучшие усилители D класса в «АвтоАудиоЦентре» – специфика выбора под каждый проект
Автомобильный усилитель AudioBeat PA 1.300
Продажа автомобильных усилителей D класса является одним из приоритетных направлений в работе интернет-магазина «АвтоАудиоЦентр». Подходящая мощность, цена, мощность, количество каналов в линейке проверенных производителей – инвестиция в годы наслаждения огромным потенциалом своей аудиосистемы. Проектирование систем и подбор компонентов желанного совершенства вместе с практиками своего дела, которые получают удовольствие от подготовки идеальных проектов для своих покупателей.
Классы усилителей.
Устройство и принципы работы | Усилители для колонок | БлогУсилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.
Усилители класса А
Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.
Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.
Усилители класса B
Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.
Усилители класса AB
Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.
Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.
Усилители класса С, H, G
Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.
В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.
Усилители класса D
В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.
Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой).
Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.
На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.
Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.
Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.
Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.
Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.
В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.
Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.
В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:
В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам.
Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).
Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.
Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.
Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно.
Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.
Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.
А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя.
Как это делает Yamaha:
Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.
Заключение
Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.
Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ СТРАНИЦЫ: МЕНЮ
РЕКЛАМА
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
./dekor/centr.gif” bgcolor=”#FFE7AC”>| ПОИСК ПО САЙТУ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА D
Адрес администрации сайта: admin@soundbarrel.  ruНЕ НАШЕЛ, ЧТО ИСКАЛ? ПОГУГЛИ:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
цена $4,4) содержит (блок-схема на рис. 1) 2 мостовых
УМЗЧ класса D с балансными входами (LINP/LINN, RINP/RINN),
развивающих на 4-омной нагрузке по 2 Вт (до 5 Вт пиковой;
LOUTN/LOUTP, ROUTN/ROUTP) при коэффициенте гармоник до
0.4%, а также 2 УМЗЧ класса АВ для головных телефонов
(входы HPLIN/HPRIN, выходы HPLOUT/ HPROUT), развивающих
по 50 мВт на нагрузке 32 Ома при коэффициенте гармоник
до 0,05%. Все характеристики гарантируются при напряжении
питания 5 В, что делает ИМС очень привлекательной для
устройств с автономным питанием. На рис.2 дано сравнение
потребляемого тока в функции выходной мощности для ТРА005
(нижний график) и аналогичного по мощности усилителя класса
АВ (ИМС ТРА0202, верхний график), из которого видно, что
при мощности 1-2 Вт срок жизни батарей продлевается в
2-3 раза.
Напряжение
на входе MODE управляет включением основного усилителя
(MODE = 0) с одновременным приглушением телефонного и
наоборот (MODE =1). Логические уровни на выводах FAULT
можно использовать для диагностики: FAULTO=FAULT1=1 со-ответствуют
нормальной работе, FAULTO=FAULT1=0-TepMo-защита включена,
FAULTO=0/FAULT1=1 – напряжение пита-ния ниже допустимого,
FAULTO=1/FAULT1=0 – перегузка вы-хода по току. Входное
сопротивление основного усилителя (LINP/LINN, RINP/RINN)
10 кОм, телефонного (HPLIN/HPRIN) 1 МОм, динамический
диапазон соответственно 70 дБ и 90 дБ, диапазон усиливаемых
частот 20-20000 Гц (-3 дБ) у обо-их, коэффициент передачи
20 дБ. Максимальный выходной ток основного усилителя –
5А.
Для предотвращения этого при постоянной работе
в режиме с максимальной мощностью ИМС рекомендуется
монтировать с тепловым контактом нижней поверхности
корпуса и фольги печатной платы. При этом тепловое сопротивление
снижается в зависимости от площади фольгированного участка
в соответствии с графиком рис.8 и тепловой режим значительно
облегчается (достаточна площать фольги 12 см2). Типовый
коэффициент гармоник 0,1%, КПД 85%, диапазон напряжений
питания ±10. ..±13 В, максимальный выходной ток 5 А,
ток потребления в паузе 30 мА (в режиме Stand-By не
более 3 мА; для перевода в Stand-By потенциал вывода
12 должен быть не выше 0,7 В). Входное сопротивление
30 кОм, коэффициент передачи 30 дБ, приведенное ко входу
напряжение собственных шумов <12 мкВ (<8 мкВ взвеш.
Применение
этих ИМС оправдано в тяжелых климатических условиях
(при монтаже ИМС на радиаторах).
=
A/2/(2reRC1) выбирается в диапазоне 60-180 Гц под конкретную
акустику.
13) при подаче
питания: tSTART = 8,4 х 104 CSTRT , где емкость и время
имеют размерности соответственно Ф и с.
14). Ее действие близко в
аналоговым системам мягкого ограничения «soft clipping»
и благоприятно отражается не только на надежности устройства,
но и на качестве звука.
12).
Напряжение
питания ±11…±22 В.
Усилитель может работать как в стереофоническом
режиме, обеспечивая выходную мощность 80 Вт в каждом
из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке
максимальная мощность составит 140 Вт. Усилитель хорошо
зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера.
5%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом
5%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом
При усилении импульсного сигнала оконечный
мощный каскад можно построить с использованием полевых
транзисторов, работающих в ключевом режиме. Это позволяет
поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые
потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает
на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается,
а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя.
Микросхема DA1 содержит два идентичных
канала формирования сигнала, генератор рабочей частоты
и цепи управления мощным оконечным каскадом на DA2.
Конструкция предусматривает установку
платы в корпус, для этого имеются монтажные отверстия
по краям платы под винты диаметром 2,5 мм.
Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для
сабвуфера. УМ обладает высокими эксплуатационными характеристиками,
высокой надежностью, простотой в изготовлении/подключении
и оптимальным соотношением цена/качество, что на сегодняшний
день является немаловажным фактором. Собрать устройство
можно из набора МАСТЕР КИТ NM2045 .
Далее, усиленный
промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой
сигнал подается на головку громкоговорителя. Блок-схема
такого устройства приведена на рис.1.
Микросхема драйвера выпускается
только в корпусе с планарными выводами и содержит два
идентичных канала формирования ШИМ сигнала, генератор
несущей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом.
Микросхема оконечного каскада выпускается в выводном
корпусе типа DBS17P и содержит два идентичных ключевых
УМ. Эту ИМС при умеренных нагрузках
совсем не обязательно устанавливать на радиатор – поскольку
КПД всей системы составляет около 95% и выделяемая тепловая
мощность крайне мала. Используя эти микросхемы
можно построить двухканальный УМ развивающий мощность
80Вт в каждом канале на нагрузке 4 Ом, или мостовой
одноканальный усилитель. При этом мощность на нагрузке
возрастет в 4 раза.
5%, Uп = +/- 27 В, Rн = 4 Ом
Это делается при помощи самостоятельно изготовленного
шлейфа.
3, печатная
плата на рис.4, расположение элементов на рис.5.
В моем понимании, то дело обстоит так: если завод-изготовитель
предусмотрел теплоотводящий флянец на микросхеме, то это
совсем не потому что у них медь девать некуда, следовательно
теплоотвод нужен обязательно и легенды о том, что при
94% КПД он не нужен пусть останутся для делитантов. А
вот о размере теплоотвода можно и поумничать, типа действительно
для таких мощностей площадь охлаждения очень крохотная.
ИМС может быть сконфигурирована
как:
3) и
20-выводном SOT418 (TDA8920TH, рис.4) для монтажа на
поверхности, оба изображены справа в натуральную величину.
Рекомендуемые области применения – УНЧ высококачественных
телевизоров, систем Домашнего Театра, а также мультимедийные
системы.
классификация, характеристики, сферы применения — Ozon Клуб
Группы и классы усилителей звука
Начнём с базового понятия – класс усилителя. Под этим термином подразумевают уровень сигнала, который выдает устройство после того, как сигнал поступил и изменился в необходимом диапазоне за один цикл.
Усилители звука разделяют на классы. Из них формируются две большие группы.
Выделение класса происходит на основе линейности схемы усиления звука. Каждый разряд преобразователей называют буквами латинского алфавита. Усилитель, названный сочетанием букв, разработан на базе двух отдельных классов для того, чтобы соединить их преимущества.
Формирование классов преобразователей началось в 20-е годы прошлого столетия. До 1955 появились типы А, B, С, а с 60-х годов начался новый этап. Усилителям пришлось пройти долгий путь усовершенствования, на котором старые модели становились прототипами новых. Таким образом, получаются поколения, но каждое новое выходит с отдельным названием. Например, разряды G и H обязаны появлением усилителю разряда В.
Также стоит отметить, что разные сферы электроники создают свои специальные классы. Порой разобраться в усилителях бывает трудно из-за того, что различные производители по-своему называют одинаковые классы. Самые распространенные типы усилителей: A, B, AB, C, D, F, G, S, H, T.
Те устройства, которые имеют похожие характеристики проводимости, а транзистор находится между включением и выключением, формируют первую группу: A, B, AB, C.
Переключающимися усилителями называют другую группу, это: D, E, F, G, S, H, T. Интенсивная модуляция – базовый принцип для изменения звука таких преобразователей. А при помощи цифровых методов добиваются постоянного сигнала между «вкл.» и «выкл.», что обеспечивает необходимый сигнал в диапазоне насыщения на выходе.
Как работает усилитель? Сначала ток встречает на своём пути динамик. Пройдя его, поступает на транзисторы, а те работают по принципу крана – то пропускают, то перекрывают электричество. Как закрываться или открываться, транзисторам указывает специальный сигнал.
Характеристика классов
Усилители класса А дают пользователям возможность устанавливать рабочий режим на линейном участке.
Такая настройка обеспечивает эталонное качество звука.
Транзистор устанавливают так, чтобы электрический поток проходил через колонки постоянно, даже когда главный сигнал не входит. Ток одинаковый при нуле (на холостом ходу) и при нагрузке – характеристика, свойственная усилителям только этого класса.
Устройства типа А выделяют много тепла, поэтому их оснащают габаритными системами охлаждения. Также это не позволяет сделать такие приборы более мощными: им нужно время и большое количество энергии, чтобы прогреться для работы. Таким усилителям звука свойственно КПД 40% – это их недостаток.
Усилители класса B создавались для замены А, чтобы максимально убрать минусы.
Для этого разработчики установили пару дополнительных транзисторов, которые улучшают только свою половину сигнала. Ток в режиме покоя равен нулю, а это значит, что нет смещения.
Таким образом, КПД устройств повысилось.
Фактически разряд B лучше, чем его предшественник, но уступает классу А по качеству звучания. Это обусловлено тем, что два транзистора усиливают отдельно свою половину волны. Поэтому при переходе сигнала от одной части к другой возникает ступенька, а при низком уровне сигнала на входе звук искажается очень сильно.
Из названия класса «АB» становится понятно, какую цель преследовали создатели таких усилителей. Объединение всех положительных качеств предыдущих устройств дало такой результат:
- конструкция усилителя больше походит на класс B
- транзисторы проводят сигнал одновременно и близко к точкам, где пересекаются осциллограммы
- функцию кранов транзисторы выполняют так, что система вынуждена держать их открытыми почти всегда – это убирает проблему долгого разогрева перед началом работы
- технические особенности значительно уменьшают искажение звука усилителями и поднимают КПД до 50%.
Разряд С не подходит для работы с акустической техникой из-за существенных искажений звука на выходе. Так получается, потому что точку работы сильно сместили по отношению к середине линейного участка на транзисторе.
Сами по себе такие приборы очень продуктивны. Они выдают показатель КПД 80%. Это служит причиной использования преобразователей в радиоприборах и генераторах.
В усилителях класса D принцип работы транзисторов серьёзно отличается от предыдущих разрядов – они функционируют исключительно в режиме «открыт» или «закрыт». А поскольку самое большое количество тепла выделяется при переключении режимов, усилителям этого разряда не свойственно нагреваться.
Такие преобразователи называются нелинейными. Они характеризуются высоким КПД с небольшими затратами электроэнергии. Устройства D легко определить по повышенному КПД (до 98 %), а также экономному расходу электроэнергии.
Самые обычные преобразователи класса D работают по принципу усиления широтно-импульсной модуляции частот меньше 50 кГц. Это их характеризует как устройства аналогового типа, а также определяет качество. Приборы имеют небольшие размеры, вес, цену.
Все эти преобразователи звука считаются более или менее универсальными, а для индивидуальных случаев и конкретных задач существуют другие классы усилителей.
Преобразователи разрядов H-G отличаются от AB лишь наличием большего количества источников напряжения. Такая особенность поднимает значение показателя КПД, уменьшает нагрев, снижает количество потребляемой энергии. Но в таких усилителях искажается звук так, что использовать их с аудиоустройствами нельзя.
Усилитель типа F имеет КПД 90%, что акцентирует их прогрессивность. Чтобы избежать снижения коэффициента полезного действия в таких усилителях, ток и напряжение разделяют. Такое распределение на выходном каскаде называют гармоническим.
Этот вид преобразователей иногда ещё называют «экономичным» или «оптимальным классом С».
Преобразователь класса S работает с КПД 100%. Это нелинейные устройства, напоминающие своими характеристиками класс D. Они делают из аналогового сигнала цифровой, а также усиливают его.
Цифровые преобразователи класса Т оборудованы микросхемами, которые повышают частоты сигналов.
Сферы использования разных классов
Начнём, пожалуй, с самого распространённого класса – D. Эти цифровые устройства (а также аналоговые АВ) хорошо работают для домашней звуковой системы. Обратите внимание, что на усилителях обоих видов должны быть пометки «sound».
В машинах хорошо работают преобразователи класса А, В, АВ, D. АВ самый востребованный класс среди автолюбителей. Он гарантирует звук нормального качества, мощность, чистоту, высокий показатель КПД. Также АВ может работать с сабвуферами мощностью 500-600 Вт.
Разряд D достаточно дорогой, поэтому мало кто из водителей авто их покупает.
Устройства класса D из менее мощной категории часто используют в:
- мобильной технике
- портативной технике
- колонках с соединением Bluetooth
- сабвуферах
Усилителям типа D производители дали широкий спектр возможностей. Это любимые приборы профессиональных музыкантов: почти не греются, не требуют долгой раскачки, во время работы не производят фонового шума, обеспечивают хорошее звучание в маленьких помещениях.
Так же качественно представители класса D работают с digital-сигналом. Они оборудованы специальным преобразователем сигнала из формата PCM в DSD. Эта функция убирает ненужные дополнительные преобразования из аналогового сигнала в цифровой. Процессор DSP исправляет все искажения звука, которые фиксирует специальный микрофон.
Преобразователи класса А почти не используются – за исключением тех случаев, когда нужно настроить акустическую систему для больших площадей.
Устройства класса Т имеют многоканальные элементы звучания в формате 3D, которые очень пригодятся для работы домашнего кинотеатра.
Усилитель класса D 20W к 300W – ElettroAmici
Это мощный усилитель класса D легко реализовать. Разработанный с компонентами на шельфе, Она может достигать до 300 Вт RMS с напряжением питания, которое может изменяться от +/- 30Разл +/- 60В зависимости от требуемой мощности. Для того, чтобы подняться на несколько значений компонентов за что власть должна быть пересмотрена, как для максимального рабочего напряжения для рассеиваемой мощности. Я поставил этот предел, чтобы не усложнять схему излишне, увеличивая тем самым затраты на изготовление и габаритные размеры.
Это полная схема усилителя канала:
ведомость запасных частей
Принцип работы класса D
Это автоколебательный класса D усилитель. Это обеспечивает отличную производительность благодаря зависимой переменной частоте от входного сигнала. Каждая секция усилителя описана ниже на основе функции scolta.
Каждый компонент имеет более чем одну функцию, с тем чтобы ограничить сложность схемы и, следовательно, затраты, это является результатом последовательных упрощений даты от долгого дизайна исследования.
этап ввода
U1a представляет собой операционный усилитель подключен как инвертор.
R1 и С1 образуют фильтр верхних частот с частотой среза 7 Гц бесполезно упасть ниже таких частот. R1 определяет фиксированное усиление и входное сопротивление усилителя, R2a и R2b обеспечить усиление с формулой
-(R2a + R2B) / R1
Ни одно значение не является критическим, Вы можете выбрать любое значение от 10k до 100k для R2.
С2 вместе с R2 образуют фильтр нижних частот на который уменьшает возможный высокочастотный шум.
Его частота среза устанавливается
Ft = 1 / (6,28xR2xC2)
С2 должны быть адаптированы в зависимости от значений R2.
Инвертор и интегратора
Это кольцо фактической реакции.
С3 устраняет непрерывную составляющую выходного U1a и снова образуют фильтр верхних частот с R3
всегда с формулой
1 / (6,28xR3xC3) = 3,4Hz.
С3 может варьироваться от 2.2uF до 10uF без проблем.
С4 используется, чтобы уменьшить интермодуляционные искажения, которые могут генерировать интегратор U1B. на самом деле, R8, падает через сигнал интегратора. Можно опустить C4, но, Это часто, чтобы он установлен в этом типе схемы в классе D, также, немного вниз’ привод частоты колебаний (C4 = 1 нФ è 255kHz, Это не 330kHz).
R8 определяет, как этап интегратор вместе с усилением R3.
Усиления -R8 / R3.
Кроме 150kOhms R8, усилитель становится неустойчивым. R3 представляет собой входной импеданс интегратора и является довольно низким, Поэтому значение входного каскада видно из U1a.
R4 защищает U1B в случае невыполнения. на самом деле, если насыщенного выходного напряжения, Это эквивалентно потенциал питания (задается T1 или T2 через R8).
R4 формируя делитель с R8, ограничивается +/- 6Максимальное напряжение постоянного тока на инвертирующем входе. R 4 может быть заменен на два 1N4148 диодов, соединенных с оперативными полномочиями, но, с одним сопротивлением проще!
В нормальном режиме работы, инвертирующий вход входного напряжения колеблется от +/- 100 мВ вокруг и R4 бесполезно (усилитель работает без R4).
Если R4 уменьшается (до 1k) Это увеличивает выходное напряжение смещения. Поведение интегратора ухудшилось. Подвода +/- 50VDC, выходное смещение измеряется в:
R 4 = 10k: 6мВ
R4 = 2.2K: 36мВ
R4 = 1k: 71мВ
Это получается, что предпочтительно, чтобы поставить максимальное значение для возможного R4, но, прикасается всегда учитывать максимально допустимый экскурс +/- 10В на инвертирующем входе. 10к оказывается хороший компромисс.
С5 конденсатор интегратора. Его значение существенно влияет на частоту колебаний (сердце усилителя работы в классе D). A +/- 50В постоянном токе измеряется:
C5 = 220pF: 255кГц
C5 = 470pF: 236кГц
C5 = 1nF: 164кГц
в действительности, в частоте работы есть также “медлительность” TL072, года от внутренней схемы, с которой он сделан чувствовать. Именно поэтому мы приняли предел частоты ниже 300 кГц, но достаточный для этого усилителя, стандарт TL072 является хорошим компромиссом бюджета, с достаточно низким коэффициентом шума для использования в аудио- и достаточно быстро для конкретных применений использования.
Выходной сигнал интегратора напряжение является треугольным сигналом, который идет от + 1.0Разл + 4.2дети С5 = 220pF V.
Выбор источника питания +/- 9,1V представляет собой величину более чем достаточно.
общий доход
Общий коэффициент усиления усилителя определяется двумя отдельными усилений в каскаде: усилитель на основе U1a и интегратора.
В случае R2 = 47K усилитель имеет коэффициент усиления, U1a: -R2 / R1 = -47k / 22K = -2.14 (переменная в соответствии с таблицей)
Gain Дополнение: -R8 / R3 = -100k / 4.7K = -21,3 (фиксированный)
Общий коэффициент усиления усилителя D затем -2.14 Икс (-21.3) знак равно 45, с такой амплификации получены в выходе 250W эффективной 4 Ом с входным сигналом стандартного 2 Vpp или же мы можем еще сказать 0,707 эфф.
переводчик Уровень Transistor
транзистор T3, ПНП позволяет “сдвиг” выходной сигнал интегратора напряжения -Vcc. на самом деле, ток через R5 Она равна (изнурении базовый ток), ток, протекающий через R7. Ввод R 5 = R 7, затем напряжения на клеммах R5 и R7 являются одинаковыми. Мы бы тогда R7 в выходном напряжении же интегратора, вычтен Vbe (ошибка о 0,6 V). Учитывая, что использование треугольной формы сигнала, Вам не нужно очень быстро переключающий транзистор. Потенциал его коллектора мало изменяется и, T3 не насытить во время нормальной операция способствует хорошей линейности.
R6 Он ограничивает ток, который может войти в PIN1 (В) из IR2184 предполагая T3 проводящие и было усилитель насыщения U1B или потенциал по умолчанию.
Ее основным сдерживающим фактором является поддержка по крайней мере, Vce = Vcc (60V). Выбор пал на классический BCX42 (125V, 800мА, 330мВт) идеально подходит для такого использования.
Контроль силовых транзисторов: IR2184
Схема выполнена из дискретных компонентов, которые сделали эту функцию, Было бы гораздо более дорогим с точки зрения габаритных размеров и искажение выходного сигнала, а также денежно-кредитной.
Конкретная интегральная схема делает его очень легко контролировать два усилителя MOSFET, Я выбрал IR2184 (половина моста водитель) от International Rectifier . МОП-транзисторы приводятся в движение с фазовой задержки с временем около 0.4нас.
Если вход В (ножка 1) Он сравнивается с 0В С (ножка 3 которой -Vdc), T2 он находится на, T1 он заблокирован, что обеспечивает низкий уровень выходного сигнала (-Vdc) на выходе конечный.
Если потенциал на выводе В Он находится между 3В и 5В относительно контакта С, Т2 заблокирован, T1 включен, но, Он может оставаться таковым только для 10 О 20 мс, потому что его управление получает питание от начальной загрузки конденсатора С12. Если IN остается постоянно 5VDC, T1 и T2 заблокированы и система не колеблется. Выход из транзисторов является 0В (соединен с землей через R4 + R8 или динамик).
IR2184 подается в 12 V (между 10V и 15V является типичным значением) и потребляет около 30 мА, работающих на 250 кГц с двумя транзисторами IRFB5620 приехать “нагрузка”.
D4 е R14 дело с нагрузкой С12 (самозагрузки конденсатор). Этот конденсатор обеспечивает T1, когда эта команда выполняется. T1 может оставаться таковым в течение нескольких десятков миллисекунд, но достаточно для этого усилителя.
IR2184 должны быть расположены в непосредственной близости от T1 и T2.
Следует ожидать, специальный трек, отличный от того, что каналы Т2, который идет на контакт 3 IR2184 стоит его разрушения, по той же причине два электролизера C7 е C8 Кроме того, они должны быть установлены как можно ближе к конечной T1 и T2.
Для того, чтобы уменьшить потери переключения транзисторов,с использованием компонентов R11, R12, D1 е D2. Диоды позволяют быстрое открытие полевых МОП-транзисторов с быстрой разрядки емкости затвора.
IR2184 способен обеспечить ток больше 1A для этой цели. R11 и R12 обеспечивают небольшое дополнительное время простоя, что исключает риск того, что МОП-транзистор входит в состояние проводимости перед другим имеет интердикт.
Выходной каскад
Выходной каскад состоит из двух идентичных N MOSFET транзисторов T1 и T2 и расцепления конденсаторы C7 и C8. Транзисторы имеют такие размеры, как следует:
VDS = с +/- 60Питающий, Оно должно быть 12, к которому должны быть добавлены 30% – 40% примерно маржа.
то, scelgo VDS = 20.
ID = 15А (худшем случае Vcc = 60V / Load = 4 ом) Преимущество, имеющие высокий ID для МОПА-транзистора этого сопротивления Rdson низка, с последующей диссипацией (потери проводимости) низкий. то, scelgo ID = 25А
Они должны быть выбран транзистором с низким зарядом затвора Qg в противном случае для зарядки займет больше времени, расщепляющие окончательный сигнал и проходящую много времени в линейной зоне, что было бы вредным для двух факторов, увеличение конечного искажения и увеличение рабочих температур.
По этим причинам я выбрал IRFB5620: 25200В 60 мОм разработан специально для класса D усилителей.
выход фильтра
LC-фильтр нижних частот в расчете на выходе по следующей формуле
L1 = RL х 1,41 / 6,28 х F
Учитывая RL нагрузки динамика 4 Ом F, а частота среза фильтра, который должен быть по крайней мере несколько октав ниже частоты переключения и по меньшей мере на одну октаву выше максимальной частоты воспроизводимого я произвольно взятой в качестве значения частоты 43KHz
Применяя формулу я тогда
L1 = 4×1,41/(6,28×43000) знак равно 20,95 мкГн
Я выбираю стандартное значение 22мкГн и перерасчет значения частоты с формулой
F = RLx1,41 / 6,28xL1 = 40,8KHz до сих пор в пределах одной октавы по отношению к максимальной частоте.
Для использования емкости вместо формула
C = 1/(6,28xFxRLx1,41) знак равно 1/(6,28x40800x4x1,41) = 690nF
approssimerò, что стандартное значение 680нФ, из полевых испытаний добавления сопротивления R13 последовательно с конденсатором C14 линеаризирует отклик динамиков.
Автозапуск
Как было упомянуто ранее, если вход “В” IR2184 высока статически, T1 и T2 выключены (С12 разряжается и одновременно будет блокировать D4).
Вы должны положить несколько милливольт сигнала (немного «музыка) вход усилителя, чтобы начать самовозбуждение.
При обычном использовании аудио усилителя, Это не создает никаких проблем. Этот класс D усилитель просто “во время сна” до небольшого музыкального ударения.
мощность
Независимо от двойного напряжения между +/- 30В электронной +/- 60V
Чтобы преодолеть эти ограничения как на верхней и нижней части должны быть заменены сопротивления, ограничивающие стабилитроны с постоянными генераторы тока. За исключением решения в этом случае только упростить окончательную схему, сопротивление, даже если питание, Это, конечно, менее громоздкое, чем два резистора диод, и транзистор, который выполняет ту же работу,.
Значения должны быть отнесены к R2 с требуемой мощностью
Соотношение входного сигнала можно путем изменения значения резисторов R2a и R2b, в соответствии с приведенной ниже таблицей, чтобы получить требуемую мощность, не изменяя другие значения, если не двойное напряжение питания, подаваемое.
практическая реализация
Так как я начал делать компактную схему я создал два различных распутать первый с дискретными компонентами, которые позволили мне сделать все необходимые корректировки в тесте функции и конечные с компонентами SMD для тех, кто любит ультра-компактные профессиональные достижения.
Ниже маршрутизации для испытаний с приближенными измерениями 10 см х 6 см
боковые компоненты и боковые меди
Затем, когда все было откалибровано и отрегулировано для лучшей работы я прошел окончательный вариант с использованием интегрированных силовых компонентов SMD, которые до сих пор остающимися сдержанными.
Размер я не был в состоянии уменьшить далее как два электролитические и катушки очень громоздкие предметы.
Несмотря на это, окончательные измерения были сведены к 99mmx43mm измерения 10см сторону задается размером ребра и ниже не сможет спускаться не слишком увеличивать рабочую температуру.
Если мы считаем, однако, что в такой полосе кадрирование он вошел усилитель может доставить к нагрузке 300Вт эффективной 4 Ом замечательно.
I’ve got the power – Усилитель: происхождение видов.
ВСТУПЛЕНИЕ
Сегодня не будет обзора. Сегодня будет ликбез. Уверен, не все из нас уделяли физике в средней школе какое-то особое внимание. Вот ваш покорный слуга как раз из таких. Конечно, мое понимание физики и ее законов не превращает окружающие процессы в чудеса и волшебство. Но все же многие вещи я воспринимаю в плоскости “как этим пользоваться”, а не “как это работает”. Усилитель мощности — ведь не так важно, за счет чего он работает, как то, как именно он работает. Надеюсь, я вас не запутал.
А что есть звук как не часть физики? Акустика как часть механики как раз таки изучает поведение звука как волны. А также все, что связано с ним: формирование, взаимодействие, преобразование и применение.
Сегодня мы рассмотрим несколько вопросов. Что есть звук, как происходит его трансформация в ток и как, собственно, осуществляется его усиление. Но не волнуйтесь. Я постараюсь сделать чтение интересным и нескучным. Как бы то ни было сложно.
ЧТО ТАКОЕ ЗВУК
Звук представляет собой упругие колебания воздуха вокруг нас. Сами колебания представляют собой волну. Волна обладает основным характеристиками — частотой и амплитудой. Они определяют тон (высоту звука) и уровень звукового давления. Другими словами, громкость.
Волна имеет форму синусоиды, идеально симметричной, которая затухает по мере падения интенсивности сигнала, если он дискретный, а не постоянный. Длина волны синусоиды определяет частоту. Чем ниже частота, тем длиннее волна. И наоборот.
Амплитуда — это “размах” волны синусоиды. Чем дальше друг от друга крайние точки синусоиды, тем звук громче. Если не вдаваться в подробности, то все предельно просто и понятно.
“Но есть еще тембр звука!” — скажете вы. И будете правы, но про “окрас” стоит поговорить отдельно, если что-то выгорит из этого текста. Поэтому пока будем оперировать двумя основными характеристиками — тоном и громкостью, говоря простыми словами.
ПРИНЦИП РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ
Конечно, дома мы не снимаем звук, если только не занимаемся музыкой. В быту мы имеем уже готовый аналоговый сигнал. Будь то сигнал, преобразованный цифро-аналоговым преобразователем из “цифры” или чистый аналоговый сигнал с соответствующих носителей — ленты или винила.
В данном случае усилитель это “мэджик бокс”, который “превращает” 2В выходного напряжения ЦАПа в 40/100/500 Вт мощности на вашей акустической системе. Или в несколько Ватт на 32-омной нагрузке ваших наушников.
Но никакой магии тут нет. Усилитель мощности “делится” частью мощности своего источника питания с акустической системой или наушниками. Разумеется, это не происходит напрямую путем деления и распределениях в лучших традициях марксизма-ленинизма. Тут задействован сложный (на первый взгляд) механизм каскадного усиления мощности звуково частоты.
Сам же усилитель не определяет основные параметры звука — частоту и амплитуду. Он лишь копирует и усиливает сигнал, подаваемый источником напряжения. Например, ЦАПом. ЦАП задает амплитуду и тон. А усилитель лишь должен предельно точно повторить, многократно усилив сигнал на выходе. И тут вмешиваются такие понятия как шум и искажения. Но об этом дальше.
Усилитель, помимо задачи выдать заявленную по паспорту мощность, обязан сделать это прежде всего качественно. То есть с минимумов шума и искажений. И вариант взять входящее напряжение и сходу усилить его в десятки раз нежизнеспособен. Поэтому в классических усилителях используется каскад усилителей. Это цепь из нескольких последовательно подключенных усилительных узлов. Например, если их будет 3 и каждый усиливает сигнал в 2 раза, то на выходе мы получим из одного Ватта 1*2*2*2=8 Вт. То есть зависимость мультипликативна. Обычно последний из каскадов называется “выходным” и имеет единичное усиление.
ШУМ И ИСКАЖЕНИЯ
Шумы и искажения. Это неразлучные спутники воспроизведения звуковой волны, сопровождаемые преобразованием и усилением. В современной технике искажения настолько малы и “отодвинуты” за пределы слышимости, что мы едва ли можем их поймать. Но, “благодаря” AliExpress, даже сегодня можно разжиться “мощным усилителем Hi-Fi Hi-Res супер-бас 1000Вт”, который заставит наши уши кровоточить, а колонки изрыгать нечто, не имеющего ничего общего с воспроизводимой фонограммой.
Искажения тоже бывают разные — линейные и нелинейные. Линейные связаны с амплитудой и фазой сигнала. При прохождении сигнала через каскады усилителя может сместиться фаза. Но едва ли заметно, если только усилитель неисправен и не собран в подвале Уханя. Также случаются искажения амплитуды. В этом случае сигналы определенных частот получают коэффициент итогового усиления ниже (или выше), чем сигналы других частот. В результате амплитуда одного сигнала отличается от задуманной и той, что на входном сигнале.
Нелинейные искажения вносят в звучание системы специфические артефакты, не связанные с амплитудой и фазой. Грубо говоря, это звуковая информация, которой нет на самой записи.
Шум — не меньший враг, чем искажения. Шум — это паразитный сигнал, усиливающийся вместе с полезным сигналом. И шуметь может все. От источника сигнала и аварийной электропроводки в доме до элементов самого усилителя. К сожалению, если современная схемотехника помогает “увести” шумы самого усилителя за пределы досягаемости нашего слуха, то вот влияние внешних факторов снизить сложно.
Существует масса решений вроде гальванических развязок, кондиционеров питания и прочая, прочая. Но не всегда такие решения рациональны относительно системы. Стоит хотя бы избегать тех помех и наводок, которых вы можете избежать бесплатно. Когда-то я писал обзор Alo Audio Continental Dual Mono и сетовал на то, что не могу пользоваться Hiby-link на R3. Потому что при включении bluetooth усилитель ловил сильные наводки и ощутимо “шумел”. Оказалось, было достаточно перенести плеер на обратную сторону усилителя — и проблема решилась.
КЛАССЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Разумеется, в предыдущем разделе мы коснулись только базовых моментов в работе усилителя мощности. Они могут иметь разные принципы работы с входным сигналом и способы построения усилительных каскадов. Существует достаточно большое количество классов усилителей. Это A, B, AB, C, D, H, G, A+, DLD etc. А также индивидуальные запатентованные производителями решения вроде технологии ADH, про которую я писал в обзоре малышей от Devialet.
Часть из перечисленных классов не применяется в аудио вовсе или применяется лишь точечно. Поэтому мы рассмотрим только те классы, которые явственно присутствуют в жизни аудиофилов. И начнем с истоков.
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА A
С появления первого усилителя можно вести отсчет истории “электрического” звука. Ведь до того, как в 1916 году швед из General Electric Эрнст Александерсон запатентовал первую схему усилителя, аудио имело сугубо акустическую природу. Представьте себе, классу A уже более ста лет. А родина патента делает понятнее природу обилия металл-групп в Швеции и Скандинавии в целом. Как не брать в руки гитару, ламповый “комбик” и не шпарить MDM, когда твоя страна дала миру первый усилитель?
Для рассмотрения принципа работы усилителя, возьмем и лампу, и транзистор. Лампа усиливает звуковой сигнал при помощи трех основных компонентов: анода, катода и сетки. При подаче сигнала анод и катод ведут себя привычно — анод отдает электроны, катод принимает. Сетка выступает в роли “клапана”, регулируя поток.
Электрический потенциал сетки регулирует “свободу” прохождения электронов. То есть при определенном уровне потенциала лампу можно “закрыть” для их движения. Полезная нагрузка на сетку позволяет работать лампе как усилителю мощности.
Как вы помните, звуковая волна имеет форму синусоиды с симметричными положительной и отрицательной частями. В базовой концепции схема усиления сталкивалась с проблемой. Если при подаче положительной части полуволны сетка будет полностью открыта, то в момент подачи сигнала отрицательной ее части, сетка полностью закрывается и препятствует прохождению сигнала в принципе.
Для решения этой проблемы Александерсон сместил нулевую точку сигнала относительно состояния полного закрытия лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. То есть точка середины полуволны, нулевая точка, соответствовала не закрытому состоянию сетки, а полуоткрытому. При этом при прохождении сигнала положительной полуволны сетка открывалась еще сильнее.
Лампа лампой, а что транзистор? Транзистор работает примерно по тому же принципу, но иначе. Транзистор изготовлен из полупроводниковых материалов, которые отличаются наличием носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. Отрицательные заряды — это электроны, которые высвобождаются из кристаллических решеток. Положительные — это “пустые” места кристаллических решеток. Эти места могут быть заняты электронами.
Биполярный транзистор состоит из трех зон: из эмиттера, базы и коллектора. Когда на базу транзистора подается напряжение, электромагнитное поле вырывает электроны из кристаллических решеток базы и переносит их в эмиттер. Аналогичная ситуация происходит с коллектором. Это поле переносит электроны коллектора по направлению базы. Но, так как база очень тонкая относительно коллектора и эмиттера, происходит переход электронов коллектора в сам эмиттер.
Если отключить напряжение от базы, то транзистор “закрывается” подобно лампе. Поэтому путем подачи и регулировки низкого напряжения на базе можно управлять превосходящим его напряжением эмиттера и коллектора. База в данном случае это та же сетка, которая выступает «запорным клапаном» лампы.
ОТСЕЧКА СИГНАЛА
Помните, мы говорили о волнах и полуволнах? Так вот. Усилитель в классе А не имеет отсечки сигнала на наиболее линейном участке сигнала. Это значит, что через усилительный каскад ток протекает непрерывно. А это в свою очередь говорит о низком КПД и большом количестве выделяемого тепла. Но в итоге обеспечивает минимум нелинейных искажений на любом уровне мощности.
*Отсечка — переход полуволнами между тактами.
Для лучшего понимания отсечки сигнала рассмотрим, как это реализовано в классах B и AB. В классе B точка отсечки — это середина, граница полуволн. Отсечка происходит под углом 90 градусов. В этом режиме используется двухтактная схема, при которой каждая часть схемы усиливает свою полуволну. В результате возникают существенные искажения при переключении схем и переходе полуволн. Зато при такой отсечке сигнала достигается заметно более высокий КПД.
Угол отсечки в классе AB больше 90 градусов. А рабочая точка перехода между схемами усиления находится не по центру линейного участка вольтамперной характеристики, а в его начале. В результате при переходе не происходит “запирания” каскада, через него проходит ток покоя. Сама же синусоида, хоть и не сохраняет идеальную форму класса A, имеет куда меньшее искажение, нежели при работе каскада класса B. В итоге появляется проблема стабилизации тока покоя и сопутствующих искажений, но это — меньшее зло. КПД при этом выше, чем при работе в классе A, но ниже, чем в B.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ КЛАССА A
Главное достоинство класса A — это минимальные искажения. Это достигается простотой схемы и лаконичным трактом. А также тем, что каскад находится постоянно в рабочем состоянии. Таким образом, реагируя мгновенно на изменении входного сигнала.
Но в реальности мы имеем дело и с недостатками. Прежде всего, это самый низкий КПД из всех классов. Реальный КПД в классе A может быть разным, но колеблется от 15 до 30%.
Как следствие, усилители в классе A могут “похвастаться” большим количеством рассеиваемого тепла. У вас есть кот? А ламповый усилитель? Наверняка, кот имеет нездоровую тягу к этой “батарее”.
Кроме того, нагрев влияет как на стабильность работы лампы или транзистора, так и на срок его службы. Хорошо помню тепло CDM за пазухой осенними вечерами. И то, как летом Dacportable жарил сквозь тонкую ткань шорт.
Мощность. Класс A — не про нее. Если у вас монструозные “бивни” или чего похлеще, то раскачать их классом A потребует серьезных инвестиций в усилитель. Кроме того, может шокировать платежкой за электроэнергию. А в противном случае “наваливание” громкости выкручиванием до предела ручки регулировки приведет к тем самым искажениям, отсутствием которых и славится класс A. Ведь середина рабочего диапазона — точка максимальной эффективности работы усилителя — у класса A находится достаточно низко по мощности. Этого нельзя забывать, планируя покупку такого усилителя.
Еще упомяну размеры. Кроме довольно крупных габаритов, такой усилитель потребует действительно качественный блок питания для обеспечения точности звучания и динамики. Сегодня производители научились частично решать проблему КПД путем добавления энергоэффективных режимов работы. Но все равно ультимативное качество воспроизведения обеспечивает лишь самый горячий и прожорливый режим.
О ЛАМПАХ И ТРАНЗИСТОРАХ
Тема, которой лучше не касаться, дабы не быть обруганным и оплеванным. Я не буду превозносить лампу и хаять транзистор или наоборот. Я лишь расскажу о причинах, ПОЧЕМУ они звучат по-разному. И как следствие имеют своих фанатов, иногда чересчур преданных.
Как мы уже говорили, работа усилительной аппаратуры сопряжена с нелинейными искажениями. Их причин может быть масса. В частности не качественная элементная база, плохое питание в сети, самовозбуждение транзисторов, недостаточность обратной связи. И прочая, прочая, прочая.
Поэтому гармоники — это реальность, которую нельзя отрицать. Но можно подправить. Современная высококлассная аппаратура дает возможность сделать их незаметными для человеческого уха. Более того, профессиональные решения даже позволяют управлять гармониками для придания желаемого окраса и характера звуку.
И тут мы подходим к принципиальным отличиям между лампой и транзистором. Лампа вносит бархат и плавность в звучание, давая те самые четные гармоники. Вторая (то есть любая четная) гармоника это по своей сути та же нота, но на октаву выше. Соответственно, четвертая — на две октавы выше. Таким образом, чётные гармоники придают звуку объем, делают его сочнее. Так как звучат слитно с основным тоном и его подчеркивают.
Транзистор же дает нечетные гармоники. Они ощущаются ухом не столь естественно и комфортно, как четные. Но психоакустически это воспринимается как более выраженная ясность, четкость. Нередко лампу называют “медленной”, а транзистор “быстрым”. Повторюсь, высококлассная техника позволяет получить характер того или иного типа усиления, оставив за скобками их хрестоматийные эпитеты вроде “не натуральности” и “смазанности”.
УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ КЛАССА AB
Как можно догадаться, класс AB — это гибрид классов A и B. Поэтому еще раз коснемся коренного отличия класса В от класса A. Класс A реализован на однотактной схеме, что подразумевает постоянное питание усилителя и максимальную линейность синусоиды на участке перехода одной полуволны в другую. В свою очередь класс B построен на двухтактной схеме. При которой две “половинки” усилителя усиливают каждый свою полуволну. В результате, образуется точка перехода, отсечка, о которой мы говорили выше. 90 градусов этого угла да еще в самом “тонком” месте — и в результате из-за этой ступенчатости прут искажения.
Режим BС одной стороны класс В дал неоспоримые преимущества. Это заметно более высокий КПД, большая мощность и меньшее выделение тепла. Ведь при нулевом сигнале (воспроизводится первая полуволна) ток через усилитель не идет. Но в момент включения транзистора (а вот и вторая полуволна) после его закрытого состояния имеет место задержка. Как правило, это отражается в низкой динамике и выразительности звучания на малых уровнях громкости.
Поэтому был предложен вариант, объединивший принципы класса A и B. Основополагающих принципа два: смещение включения и ток покоя. Этого мы коснулись, говоря об отсечке сигнала. Смещение позволяет нивелировать ступенчатость перехода. А ток покоя не дает полностью закрыться транзистору, воспроизводящему отрицательную часть полуволны. Более того, при установленных разработчиком уровнях амплитуды волны (достаточно малых) такой усилитель может работать в чистом классе A.
В целом класс AB практически лишен недостатков. КПД, хоть и ниже, чем у класса B, но все еще достаточно высоко (70-80%). С искажениями при грамотной реализации тоже полный порядок. На малых уровнях громкости может хотя бы на бумаге не уступать классу A. Питание также не будет головной болью проектировщика. Обеспечить качественное питание такого усилителя проще и дешевле. А тепловыделение при этом будет просто смешным на фоне класса A. При этом класс AB обеспечивает высокую мощность и может работать с любой акустикой. В том числе с низкой чувствительностью и многополосным кроссовером.
Самая главная задача тут у производителя — это подбор транзисторов в двухтактные каскады. Так как это не однотактная схема, она требует максимальной идентичности транзисторов. Поэтому подбор наиболее идентичных пар транзисторов — первостепенная задача производителя. Чем выше класс техники, тем выше требования к допускам для полупроводников.
Последние десятилетия бытовые усилители преимущественно были в классе AB. Класс A остался чем-то вроде удела самых отъявленных аудиофилов и меломанов. Но последние годы другой класс усилителей стал уверенно и планомерно отвоевывать свое место под солнцем на стойках в наших гостинных. Это “цифровой” усилитель класса D.
УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ КЛАССА D
Такие усилители ошибочно часто именуют “цифровыми”. Что в принципе верно, но отчасти. Да, есть технология подачи PCM-сигнала напрямую в усилитель (NAD Direct Digital). Да и сам принцип обработки сигнала усилителем класса D напоминает принципы работы цифровой техники.
Технология довольно старая. Еще в 1951 году эта схемотехника была описана советским инженером Дмитрием Агеевым и британцем Алексом Ривзом. Проблема в том, что качество элементной базы и возможности полупроводниковой отрасли плоть до 80-х не позволяли реализовать потенциал очень перспективной технологии. Ведь КПД на бумаге вырисовывался едва ли не 100-процентный! Осталось только добиться качественного усиления исходного сигнала. А вот с этим были проблемы у всех, кто бы ни брался за класс D.
Поэтому за классом D долгое время был закреплен негласный статус усилителей для теле/видео техники и для промышленности. А в работе со звуком им отводилась важная, но недостаточно весомая роль концертных усилителей. Когда нужна прежде всего высокая мощность и минимум сложностей с питанием. А про качество особо не думают.
Сегодня класс D — не приговор. Напротив, как гиганты отрасли в своих масс-маркет решениях, так и разработчики хай-энд аппаратуры не гнушаются применять в своих изделиях именно класс D.
Рассмотрим принцип работы усилителя мощности класса D. В основе его работы лежит ШИМ — широтно-импульсная модуляция. ШИМ — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии. Само по себе это определение нам мало что говорит в контексте этой темы. Поэтому, чтоб понять, как это работает, идем дальше.
Сигнал, поступающий на усилитель, поддается модуляции. Это старый и распространенный метод хранения и передачи данных. Суть его заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты.
При этом ЩИМ-сигнал может быть как оцифрован посредством АЦП и промодулирован, так и получен с помощью компаратора и СВЧ-генератора пилообразной частоты. Причем частота может варьироваться от десятков до сотен МГц. Первый метод более тонок и гибок. Так как обработка цифрового сигнала до его модуляции позволяет вносить изменения в сигнал ДО его усиления. И речь уже не о банальном тембр-блоке. А о более глубоких изменениях, начиная от выравнивания громкости, заканчивая добавлений эффектов эха и ревербераций.
Усилители классов A и AB работают с синусоидальным входящих сигналом. Класс D — с импульсами прямоугольной формы. Усилителю не нужно “реагировать” на изменением амплитуды. Амплитуда ШИМ-сигнала постоянна, а длительность сигнала (его “ширина”) как раз-таки и определяет амплитуду аналогового сигнала. Таким образом, усилитель работает предельно просто. Модулированный сигнал усиливается каскадом оконечных транзисторов. А преобразование импульсного сигнала в привычный аналоговый происходит уже на самом выходе. Проще говоря, практически у клемм усилителя. Это происходит помощи фильтра низких частот, который отсекает несущую частоту генератора и шумы.
Все сводится к тому, чтобы транзистор работал с сигналом со стабильной амплитудой. Это снижает возможную “ошибку” транзистора. Сигнал в данном случае дискретен и меняется на полную амплитуду. Сам же транзистор работает в бинарном режиме, если так можно выразиться. “0” или “1”, ВКЛ или ВЫКЛ.
Главные достоинства класса D это простота и энергоэффективность. С простотой все ясно. А в чем же причина высокого КПД, компактности и малого количества рассеиваемого тепла? Дело в том, что транзистор работает в ключевом режиме (0 или 1, ВКЛ или ВЫКЛ). Следовательно, половину времени он находится в выключенном состоянии. В теории КПД такого усилителя должен стремиться к 100%, но на практике ограничивается 80-95%. Not bad.
Отсюда и компактность. Плата усилителя достаточно небольшая, серьезное охлаждение не требуется. Питание обеспечивается импульсным БП. Просто и экономично. Активные акустические системы преимущественно построены на классе D. За очень редкими исключениями. Их мы тоже коснемся.
При этом питание является одним из недостатков класса D. Импульсный БП создает шум, который негативно сказывается на выходном сигнале. Тут и разработчики, и пользователи класса D едины. Импульсник по-хорошему должен быть заменен классическим линейным БП с тороидальным трансформатором. Или малошумящим импульсным БП, которые сегодня нередко встречаются на рынке. Но надо принимать во внимание стоимость таких решений. Другой вопрос отдача — замена обычного импульсного БП на малошумящий или трансформаторный зачастую заметна сразу. Куда сильнее замены проводов.
Если решить проблему питания, то класс D видится едва ли наиболее перспективным на ближайшие годы. Такие усилители обеспечивают жанровую универсальность, отличную динамику (у транзистора нет тока покоя, он включается на полную мощность), четкость звучания и прозрачность. Нередко слышал такие эпитеты в адрес класса D, как безжизненность и ненатуральность. Оставим это адептам лампы и чистого класса A.
КЛАССЫ G, H И ПРОЧАЯ ЭКЗОТИКА
Классов на самом деле намного больше. Стоит упомянуть некоторые, а также чуть коснуться отдельных запатентованных технологий, которые можно найти только в устройствах держателя патента.
Классы G и H возникли как результат поиска способа повысить КПД усилителей. В 1964 инженер NASA Мануэль Крамер разработал схемотехнику с разделением шин питания по напряжению и управлением переключением шин в зависимости от амплитуды входного сигнала. Впоследствии в 1977 Hitachi выпустили первый усилитель по этой схеме и дали ему имя “Класс G”.
Классу H дал дорогу в жизнь известный новатор, разработчик и дизайнер Боб Карвер. Принцип работы у этих классов предельно похож, отличается лишь подход и исполнение. Оба эти класса работают в классе AB и по замыслу Крамера. То есть блок питания имеет возможность “реагировать” на изменение амплитуды сигнала. При этом сам БП имеет две шины питания с разным напряжением. При поступлении сигнала амплитуды выше заданной разработчиком включается вторая шина с повышенным напряжением.
Все отличие лишь в процедуре переклчюения шин. Если в классе G это происходит ступенчато, то есть напряжение повышается дискретно (V1 -> V2 ->V1+V2), то в классе H блок питания имеет несколько шин, и может включать их в зависимости от амплитуды, плавно повышая уровни напряжения от минимального к максимальному. В остальном — это тот же класс AB со всеми вытекающими. Лишь с вариациями на тему питания.
Говоря о классах, которые встречаются в устройствах отдельных производителей, можно упомянуть, например, Cambridge Audio с их классами XA и XD. За основу их работы взят класс AB. Но точка переключения между “зеркалами” каскадов перемещена ниже нулевой. То есть первый транзистор из пары воспроизводит полностью положительную полуволну и часть отрицательной. Разница между XA и XD лишь в степени смещения точки переключения и части отрицательной полуволны, которую воспроизводит первый транзистор из пары.
Уже упомянутые NAD с их Direct Digital используют вариации на тему класса D. PCM-поток преобразуется в ШИМ-сигнал без цифро-аналогового преобразования. Это позволяет усовершенствовать оптимизацию и тонкую настройку звучания. Так, NAD очень плотно сотрудничает с Dirac и успешно применяет их технологию настройки звучания аппаратуры.
Не совсем из области «большого» звука, но также приходит на ум Questyle с их запатентованной технологией усиления по току. В этом случае транзистор имеет два входа, второй, инвертирующий, вход используется для отрицательной обратной связи и управляется не напряжением, а током. Преимуществом этой технологии принято считать большую скорость работы.
Небезызвестные норвежцы из Hegel используют похожую в общем схему. Но разделяют усилитель фактически на две секции. Одна работает по напряжению, вторая — по току. Благодаря чему удается оградить чувствительные элементы секции, отвечающей за усиление по напряжению, от высоких токов, отдаваемых акустическими системами в выходной каскад, т.е. обратная связь между этими каскадами отсутствует.
Недавно у меня на обзоре побывали малыши (по размеру, не по стоимости) от французской компании Devialet, активные моно-колонки Phantom II. Я обещал исключения, когда активная акустика работает не в классе D — вот оно это исключение. Не буду еще раз описывать, как работает запатентованная Пьером-Эммануэлем Калмелем технология ADH. Приглашаю вас отдельно почитать про “призраки”. Но тут реализован интересный замысел, при котором управляет напряжением усилитель в классе A. А ток модуля ADH задает кластер, работающий в классе D. В результате мы имеем предельно линейный синус и в то же время высокие КПД, мощность и отличную динамику. Даже в не очень малом помещении. Звук, несмотря на всю несерьезность габаритов акустики, вовсе не теряется в помещении, а напротив — пытается заполнить все углы и щели.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
То, что планировалось как мини-ликбез сперва обросло подготовительной частью, а затем ушло в дебри всякой усилительной экзотики. Зато теперь вы, дорогие мои, чуть лучше понимаете, как устроен волшебный ящик, питающий вашу акустику.
Какой главный вывод из этой статьи? Любой усилитель, на каскадах какого бы класса он не был сделан, может звучать отлично. Можно испортить класс A, а класс D можно сделать превосходно звучащим. Вопрос реализации и степени вовлеченности разработчика в процесс и в конечный результат. И под конечным результатом я понимаю не деньги. Или не только деньги.
Как работают усилители класса D?
Усилитель класса D работает, принимая аналоговый входной сигнал и создавая его копию с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) – по сути, последовательность импульсов, которые соответствуют амплитуде и частоте входного сигнала. В своей основной форме схема компаратора используется для согласования входного сигнала с сигналом ШИМ. Затем сигнал ШИМ усиливается выходным каскадом, работающим в режиме переключения, то есть есть два состояния, включено или выключено, с очень высокой скоростью, соответствующие импульсам ШИМ.Для сравнения, выходные каскады линейного усилителя видят непрерывную форму волны и, во избежание искажений, включены более половины формы волны (класс A / B) или полной формы волны (класс A), что значительно снижает эффективность и выделяет тепло. .
Усиленный сигнал ШИМ проходит через фильтр нижних частот, чтобы восстановить форму звукового сигнала и устранить паразитный ультразвуковой шум перед его выводом на динамики. Этот процесс кажется цифровым, но на самом деле является аналоговым по своей природе. Сигнал не «оцифрован», т.е.е., присвоено числовое значение; Последовательность импульсов ШИМ является «аналогом» входного аудиосигнала. Что отличает усилители Rotel класса D от других моделей, представленных на рынке, так это инновации в области генерации высокоточного ШИМ-сигнала (COM, что означает Controlled Oscillation Modulation) и в цепях обратной связи (MECC, Multivariable Enhanced Cascade Control) для обеспечения стабильная характеристика фильтра, несмотря на переменное сопротивление громкоговорителей. Проще говоря, это означает, что наши усилители класса D предлагают полную полосу пропускания при очень низком уровне искажений в «реальных» приложениях – точно так же, как наши линейные усилители, но с преимуществами меньшего размера, охлаждения и гораздо большей энергоэффективности.
Почему на рынке нет большего количества усилителей класса D? Во-первых, создание стабильных цепей класса D с полной полосой пропускания при одновременном контроле побочных продуктов RF / EMI непросто. У немногих компаний есть технологические ноу-хау для этого. Это также требует широкого использования устройств поверхностного монтажа (SMD), что снова делает его недоступным для большинства производителей аудио. Для реализации этих проектов мы привлекли технологического партнера.
Вот еще одна ключевая деталь, которая часто вызывает недоумение.Импульсный источник питания (SMPS) – это не то, что делает эти «переключающие» усилители. Как только что было описано, каскад усиления представляет собой высокоскоростную переключающую схему, что определяет эту конструкцию как класс D. В усилителе класса D фактически может использоваться обычный источник питания; и линейный усилитель может использовать SMPS. Традиционный источник питания накапливает большое количество энергии, но при этом расходует «лишнюю» энергию, не требуемую нагрузкой. SMPS согласовывает выходную мощность с требованиями в реальном времени, обеспечивая только мощность, необходимую для нагрузки, в результате чего работает очень эффективно.Аналогия – резервуар для воды (линейная подача), который всегда наполняется и переливается, если потребности недостаточны; по сравнению с бесконечной серией ведер (SMPS), которые можно замедлять или ускорять по мере необходимости. SMPS в наших усилителях класса D отражает тот факт, что схема усиления класса D не требует значительного накопления энергии линейного усилителя мощности, поэтому более эффективный / компактный SMPS является лучшим выбором.
Подводя итог, наши конструкции класса D предлагают:
- Превосходное качество звука, подтвержденное многочисленными критическими отзывами и наградами.Конструкции Rotel класса D являются самыми передовыми в мире.
- Высокая энергоэффективность (90% + по сравнению с 50-60% для усилителей класса A / B). В нашем все более «зеленом» мире это важный момент.
- Компактный размер относительно выходной мощности.
- Холодная работа, так как мало энергии тратится впустую.
- Низкое выходное сопротивление означает высокий коэффициент демпфирования или контроль над громкоговорителем.
- Устойчивость к низкоомным нагрузкам.
Как работает «цифровой» усилитель класса D
Большинство аудиофилов и энтузиасты выросли с хотя бы базовым пониманием того, что усилитель делает.Требуется крошечный переменный электрический сигнал, который представляет от момента к моменту изменения музыкальных частот и их амплитуд (уровни громкости), и многократно увеличивает их силу, так что они мощные достаточно, чтобы двигать диффузоры и купола динамиков вперед и назад, чтобы генерировать воздух колебания давления (волны), которые воспроизводят исходные звуковые волны. Музыкальный тоны меняются так медленно, как 16 раз в секунду (16 Гц) – очень низкий орган. примечание – до 15 000 раз в секунду (15 кГц) или более – самый высокий гармоники тарелки или скрипки, например.
Hi-Fi аналоговый УсилителиДо недавнего времени большинство высококачественных аудиосистем усилители были аналоговыми, и большинство из них относились к классу A / B. Что это иметь в виду? Возможно, один из самых простых способов понять, как аналоговый звук усилитель работает, если рассматривать его как своего рода сервоуправляемый «клапан» ( последнее – то, что британцы называют вакуумными лампами), который регулирует запасенную энергию от стенной розетки, а затем выпускает его в отмеренных количествах на ваш колонки.
Сумма разряженный синхронизируется с быстрыми изменениями входящего аудиосигнала. Этот слабый сигнал переменного тока используется для модуляции цепи, высвобождающей мощность (напряжение и сила тока) накапливаются большими конденсаторами и трансформатором в усилителе источник питания, мощность, которая разряжается точно так же, как крошечные модуляции входящего звукового сигнала.
Этот сигнал в входной каскад усилителя применяет переменную проводимость к выходной цепи транзисторы, которые высвобождают мощность из источника питания усилителя для перемещения вашего конусы и купола громкоговорителей.Как будто вы быстро поворачиваете на кране (вы поворачиваете кран – это звуковой сигнал), который высвобождает все накопленное давление воды – водонапорная башня или резервуар являются хранилищем конденсаторы – по определенному образцу, разновидность жидкого кода. За наших Это все, что нам нужно знать об аналоговом усилении.
Цифровой УсилениеВ основном цифровой усилитель (класса D) требует входящий аналоговый сигнал и преобразует его в цифровое представление, состоящее из ширины импульса.Хотя существует ряд различных вариантов дизайна, Усилители класса D по сути являются переключающими усилителями или широтно-импульсным модулятором. (ШИМ) конструкции. Входящий аналоговый аудиосигнал используется для модуляции очень высокого несущая с частотной широтно-импульсной модуляцией (PWM), которая работает либо на выходном каскаде. полностью включен или выключен. Позже эта сверхвысокочастотная несущая должна быть удалена. от аудиовыхода с фильтром реконструкции, чтобы не было сверхвысоких компоненты переключения частоты остаются для искажения аудиосигналов.
Различия в
Широтно-импульсная и кодовая модуляция
Работа цифрового усилителя
это немного похоже на то, как CD или цифровой рекордер работает с PCM (Pulse Code
Модуляция), основа всех цифровых аудиозаписей. В цифровом формате PCM
запись (например, компакт-диск), цифровой дискретный АЦП (аналого-цифровой
преобразователь) «описывает» входящие аналоговое напряжение и частоту с помощью цифрового
код единиц и нулей. Но в цифровом усилителе ширина импульса
Модулятор описывает низкочастотный аудиосигнал как «ширину импульса», поэтому
шириной много миллисекунд.(Высокая частота будет более узким импульсом, меньшим
миллисекунды – см. диаграмму). Как только аналоговый аудиосигнал (изгибающийся красный
синусоида, преобладающая над импульсами) “описывается” в терминах ширины импульса, это
усиливается, а затем преобразуется обратно в аналоговую форму. Во время этого процесса
фильтр реконструкции должен удалять все импульсы включения и выключения, оставляя только
более низкие частоты, представляющие аудиосигнал.
Как руководитель Axiom
Инженер по исследованиям и разработкам Том Камберленд описывает это: цифровой усилитель – это «сила
ЦАП », и, конечно же, ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) является основой всех
цифровые носители, будь то компакт-диски, аудио высокого разрешения, Blu-Ray
саундтреки, DVD-видео и т. д.Некоторые считают, что «все цифровые усилители
дерьмо »не соответствует действительности. Фактически, тактовая частота хорошего цифрового усилителя звука
обычно находится в диапазоне от 350 до 500 кГц (то есть 500 000 Гц). (Axiom’s A1400
цифровой усилитель использует тактовую частоту 450 кГц.) Напротив, даже
цифровая аудиосистема высокого разрешения (DVD-Audio и вариант, используемый для
Саундтреки Blu-ray) работает на частоте 192 кГц, что намного ниже тактовой частоты
хороший цифровой усилитель.
Различные формы
усиления класса D
Хотя мы можем подумать, что «цифровой» означает все
схемы в цифровом усилителе работают импульсами включения / выключения, на самом деле есть
ряд различных типов, включая цифровые усилители, имеющие аналоговые
элементы.
A цифровой усилитель будет иметь аналоговые или цифровые входы. Хорошие цифровые усилители с аналоговыми входами можно использовать аналоговые сети обратной связи для снижения мощности усилителя. искажения, почти так же, как аналоговый усилитель класса A / B использует сеть отрицательной обратной связи для уменьшения искажений. Однако цифровой усилитель который принимает только цифровой вход, должен полагаться на входящий цифровой сигнал для меньшие искажения.
Обратная связь
Сети
Почему сети обратной связи? Причина их использования в том, что
все части усилителя имеют «допуски», что означает, что любой конкретный
часть имеет диапазон или значение, в котором она работает.Любой, кто исследовал такие
основные части, как резисторы, возможно, заметили, что они указаны как «5%» или
Резисторы «10%», что означает, что указанное значение резистора является точным в пределах
диапазон 5% или 10% соответственно. Следовательно, из-за этих вариаций
частей, сеть обратной связи «смотрит» на исходящий сигнал от усилителя –
тот, который идет к вашим громкоговорителям – и сравнивает его с входящим звуком
сигнал на входах усилителя. Любое отклонение стоимости от входящего
сигнал является искажением, поэтому сеть отрицательной обратной связи применяет обратную
исправление для компенсации.
Есть даже отличия в работе цифровых усилителей.
Например, «ДВС» цифровые усилители, разработанные подразделением Ice Power датской компании Bang & Olufsen использует очень сложную систему отрицательной обратной связи из-за допусков деталей. B&O владеет патентами на свой усилитель «ICE», который в основном относится к классу D. коммутационная конструкция (широтно-импульсный модулятор) с вариантами, которые заявляет B&O уменьшает искажения до уровней, присущих усилителям класса A, сохраняя при этом высокая эффективность коммутационных схем класса D.
«IR» (Международный Rectifier) - это система, используемая Axiom Audio в своем цифровом усилителе A1400. Axiom работала с International Rectifier, чтобы обеспечить соблюдение допусков деталей. минимальная сумма, чтобы можно было использовать очень мало отрицательных отзывов для исправьте аномалии на выходе. Такой подход также сделал усилитель более надежен в работе, не подвержен колебаниям или нестабильность.
Аксиома и ИК разработали новые кремниевые выходные устройства, управляющие полевыми МОП-транзисторами в выходном каскаде. таким образом, чтобы получить идеальную прямоугольную волну с широтно-импульсной модуляцией на вывод перед фильтром реконструкции.
Плюсы и минусы
Цифровые усилители ICE и IR
Один из недостатков использования комплекса
сеть с отрицательной обратной связью в цифровом усилителе того типа, который используется в конструкциях ДВС
потенциальная потеря эффективности (около 83%). Производительность также может пострадать из-за
более медленная тактовая частота.
В ИК-типе цифровой дизайн, который использует очень мало отрицательных отзывов или совсем не использует их, тактовая частота выше, а эффективность увеличивается. Кроме того, высокая эффективность в сочетании с высокой мощностью и более высоким общим разрешением.На полной мощности Цифровой усилитель Axiom A1400 работает с КПД около 95% (для сравнения, класс A / B аналоговые усилители имеют КПД от 50% до 60%; остаток тратится впустую нагревать).
Особая благодарность Axiom Аудио за возможность перепечатать эту статью.
lovinthehd сообщений 14 августа 2021 21:00
Как звучит «квантование»? Совершенно не знаком с этим термином …
Стив Кац сообщений от 14 августа 2021 г., 20:59
В моем студийном мониторе JBL LSR6300 используется D, и я слышу, что звучит как квантование на низких уровнях.Это возможно? Чтобы исправить это, есть ли у кого-нибудь идеи, что это может быть? Получение схемы из JBL будет приключением, даже если продукт больше не выпускается.Буду признателен за любые рекомендации… s
Lordoftherings Сообщений: Май 09, 2009 05:10
Джизассе, пост: 563664
Легко понять. Спасибо.
Без пота.
engtaz сообщений от Май 08, 2009 11:40
Спасибо за информацию.
Kitsum сообщений от Май 08, 2009 11:29
Отличное чтение.Теперь нам нужна статья о классе H.
Усилителикласса D – не просто аудио
Стив Сомерс, вице-президент по техническим вопросам
Да, я любитель видео. Вы, наверное, слышали, как один из нас (не я) неуважительно преуменьшал значение вездесущей области слуховой инженерии, говоря, что «это просто звук». Эта статья об аудио, но пока не заряжайте свои щиты. Я на вашей стороне … ветеран-менеджер проекта аудиосистемы с соотношением сигнал / шум качества компакт-диска и неизмеримыми гармоническими искажениями.Хотя я в основном запрограммирован на обновление моей памяти со скоростью 30 кадров в секунду (или пустых мыслей), я действительно иногда отправлялся в эту священную область в поисках большего динамического диапазона.
Сегодня звук – это нечто большее, чем просто динамический диапазон или полное гармоническое искажение (THD). Это еще и сила … больше за меньшие деньги. Аудиосистемы класса D стали самостоятельным выбором, независимо от того, нужна ли вам большая мощность звука от небольшой системы или больше мощности звука от небольшой батареи.
Классы усилителей
Есть пять «классов» усилителей: A, B, AB, C и D. Полезно знать, где мы были, чтобы понять, куда мы идем. Давайте рассмотрим. Усилитель класса A – это традиционный полностью линейный усилитель с активными элементами схемы, смещенными в их линейную рабочую область. Это означает, что в области должен быть достаточный диапазон напряжений, чтобы охватить весь динамический ход – амплитуду – входящего сигнала, чтобы воспроизвести его без ограничения или сжатия в любом крайнем случае.По этой причине выходное напряжение источника питания усилителя должно составлять примерно 200% от максимального ожидаемого размаха выходного сигнала. Амплитуды сигналов, достигающих нелинейной области, искажаются. Этот метод работы чист, но неэффективен. Усилители класса A редко превышают КПД 20% с точки зрения потребляемой мощности (преобразованной в тепло) по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.
Усилителикласса B несколько более эффективны за счет использования двух приводных элементов, работающих в двухтактной конфигурации.При положительном отклонении сигнала верхний элемент подает питание на нагрузку, а нижний выключен. Во время отрицательных отклонений сигнала происходит обратная операция. Это увеличивает эффективность работы, но страдает от нелинейной области включения и выключения, создаваемой, когда элементы драйвера переключаются из своего состояния включения в состояние выключения. Эта ошибка переключения создает состояние, обычно называемое перекрестным искажением.
Усилителикласса AB в значительной степени устраняют перекрестные искажения, сочетая в себе лучшие характеристики обоих классов.Двухтактные драйверы осторожно смещены чуть выше их полностью выключенного состояния, чтобы переход между драйверами был более плавным. Следовательно, каждый драйвер никогда не выключается полностью. Это снижает большую часть перекрестных искажений за счет эффективности. В непосредственной близости от выходных устройств требуется цепь смещения с температурной компенсацией. Усилитель AB по-прежнему более эффективен (60–65%), чем усилитель класса A. Однако показатели эффективности усилителя обычно получаются при применении устойчивых синусоидальных тонов с низким коэффициентом амплитуды.Если принять во внимание пик-фактор (отношение пикового сигнала к среднеквадратичному сигналу) реальных сигналов, эффективность либо класса A, либо AB падает в лучшем случае до 20%.
Усилителикласса C, смещенные на уровне отсечки или ниже, обычно используются для определенных типов радиочастотной передачи, но не используются в аудиоприложениях. Поэтому в данной статье мы не будем останавливаться на классе C.
.Рисунок 1. Усилитель класса D сравнивает аналоговый звук с треугольной волной для создания широтно-импульсной модуляции.
D не равно цифровому
Усилителикласса D не являются цифровыми в полном смысле этого слова.Они не управляются напрямую связными двоичными данными. Они действительно действуют в цифровом виде, поскольку выходные драйверы работают либо в полностью включенной области, либо в полностью выключенной области. Думайте об усилителях класса D как об импульсных источниках питания, но со звуковыми сигналами, модулирующими действие переключения.
Импульсный источник питания использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления рабочим циклом включения / выключения транзисторов переключения мощности, обеспечивающих питание нагрузки. Эффективность высока, потому что на переключающем транзисторе мало падения напряжения во время проводимости.Это означает очень низкое рассеивание мощности в коммутаторе, в то время как практически вся мощность передается нагрузке. В период выключения ток практически равен нулю. Качество и быстродействие устройств MOSFET (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор) привело к созданию компактных, эффективных высокочастотных источников питания. Импульсные источники питания более эффективны на высоких частотах. На более высоких рабочих частотах компоненты могут стать меньше, и источник питания станет очень компактным для передаваемой мощности.Кроме того, компоненты выходного фильтра могут быть намного меньше. Сегодня частоты переключения выше 1 МГц не редкость. Но, как вы, наверное, знаете, импульсные источники питания создают значительный шум.
При чем здесь звук? Аудиосигналы могут использоваться для модуляции системы ШИМ для создания мощного аудиоусилителя при номинальном напряжении с использованием небольших компонентов. Аудио класса D использует фиксированную высокочастотную несущую, имеющую импульсы, ширина которых изменяется в зависимости от амплитуды сигнала. Усилители класса D достигают КПД до 90%.Это очень важно для портативных приложений, работающих от батареи. Портативная аудиосистема класса D с батарейным питанием может иметь срок службы батареи в 2,5 и более раз.
Экономия электроэнергии становится проблемой. Оборудование, использующее системы класса D, значительно экономит электроэнергию. Для оборудования с ограниченным бюджетом мощности или доступным диапазоном напряжений класс D может выполнять свою работу без перепроектирования источников питания для получения большего запаса сигнала. Звучит как система с плохой производительностью? Думаю, качество вас приятно удивит.Давайте подробнее рассмотрим, как это работает.
Время проверить под капотом
В наиболее распространенной реализации амплитуда входящего аудиосигнала сравнивается с треугольной формой волны, работающей на заданной частоте переключения. Схема компаратора переключает свой выходной сигнал на высокий или низкий уровень в зависимости от порога входящего аудиосигнала относительно опорной амплитуды и частоты треугольной волны. Когда аудиосигнал превышает пороговое значение компаратора, компаратор включается и остается включенным в течение времени, когда аудиосигнал превышает опорный уровень, создавая, таким образом, широкую положительную ширину импульса.И наоборот, в то время как аудиосигнал ниже опорного уровня компаратора, отрицательная часть рабочего цикла выходного импульса шире. Обратитесь к Рисунку 1, чтобы увидеть эту взаимосвязь.
Некоторые описывают этот метод преобразования как 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Большим преимуществом этого метода преобразования является линейность. Отношение амплитуды звука к импульсам переменной ширины в этой системе совершенно линейно. Эта последовательность импульсов с фиксированной частотой становится несущей для звука.
Выходы компаратора подключаются к схеме управления затвором для выходных транзисторов MOSFET.Обычно компаратор имеет дополнительные выходы и управляет двумя наборами транзисторных ключей с общей полярностью. Эта конфигурация вместе с точкой подключения для громкоговорителя описывает топологию выходного привода, известную как конфигурация «H» или «мостовая нагрузка». См. Рисунок 2, где представлена более упрощенная схема топологии класса D.
Рисунок 2. Топология класса D
Последняя и не менее важная секция – выходной фильтр. В большинстве конструкций класса D используется схема фильтра Баттерворта для простоты и низкой стоимости.Выходной фильтр необходим для фильтрации нижних частот или интеграции изменяющегося рабочего цикла импульса несущей в исходный аудиоконтент при ослаблении (поглощении) частоты переключения несущей. Выбор значений компонентов фильтра очень важен и необходим для достижения максимальной эффективности.
Динамический диапазон достигается выбором несущей частоты переключения. Рекомендуется коэффициент, по крайней мере, в 12 раз превышающий верхнюю частоту среза звука. Это означает, что минимальная частота переключения будет около 250 кГц.В состоянии покоя (без сигнала) рабочий цикл частоты переключения составляет 50% или равномерно разделен между ВКЛ и ВЫКЛ. Интересно, что состояние отсутствия входного сигнала является наиболее стрессовым для конструкции класса D. Положительные пики сигнала управляют рабочим циклом в одном направлении, а отрицательные пики – в противоположном. Таким образом, чем выше частота переключения, тем больше «битов» разрешения доступно для воспроизведения сигнала.
Интересно … Как насчет качества?
Усилителикласса D подвергались критике как более низкое качество, чем системы класса AB, и их использование ограничивалось приложениями с более низкой производительностью, такими как системы громкой связи.Благодаря недавним достижениям в области силовых полупроводниковых устройств и необходимости повышения эффективности при питании от батарей, к классу D теперь наблюдается возрождение интереса. Теперь возможно разработать дизайн класса D, который конкурирует с большинством усилителей AB. Например, посмотрите на частотную характеристику системы Extron класса D на Рисунке 3. Теперь сравните ее соотношение сигнал-шум с характеристиками типичного усилителя класса AB (Рисунки 4 и 5). Обратите внимание на близость характеристик между двумя классами, в то время как конструкция Extron обеспечивает на 67% больше мощности при той же нагрузке.Наконец, на рис. 6 показаны очень достойные характеристики полного гармонического искажения (THD), которые не уступают классу AB. Также интересно отметить, что при полной выходной мощности радиатор выходного переключающего транзистора класса D просто теплый на ощупь. Напряжение источника питания составляет половину уровня, необходимого для устройства класса AB.
Преимущество класса D
Самое большое преимущество – эффективность. Повышенная эффективность означает более низкую стоимость системы, более низкие рабочие температуры, более низкое напряжение источника питания и более низкое энергопотребление.Кроме того, легко доступны строительные блоки класса D, а также значительная поддержка дизайна для быстрого внедрения в новые разработки продуктов. В то время как реальный КПД усилителей класса AB составляет около 20%, системы класса D достигают КПД 75% без значительных усилий. Более высокий КПД возможен в зависимости от деталей конструкции с усилителями более высокой мощности (около 100 Вт или более), которые на самом деле достигают более высокого КПД, чем их родственники с низким энергопотреблением.
Рисунок 3.Полоса пропускания на уровне 25 Вт на 8 Ом.
Рис. 4. Характеристики отношения сигнал / шум класса AB при 15 Вт на 8 Ом.
Рис. 5. Характеристики отношения сигнал / шум Extron класса D при 25 Вт на нагрузке 8 Ом.
Рисунок 6. Полный коэффициент гармонических искажений (THD) при 25 Вт на 8 Ом. Обратите внимание, что полоса пропускания усилителя ниже 49 Гц должна спадать.
Хорошо, в чем уловка?
Конкуренция с конструкциями класса AB во имя эффективности несет в себе несколько предостережений. Из трех важнейших конструктивных особенностей выходной фильтр занимает первое место.Выходной фильтр восстанавливает исходный аудиосигнал и ослабляет несущую частоту переключения. Он также устанавливает полосу пропускания усилителя -3 дБ. При проектировании выходного фильтра важно выбрать топологию фильтра и значения компонентов так, чтобы частота переключения была достаточно ослаблена, а полоса звукового сигнала не подвергалась значительному влиянию. После фильтра всегда присутствует остаточный носитель. Новичок в классе D не увидит тихого состояния отсутствия сигнала на клеммах громкоговорителей.Некоторая потеря эффективности в классе D является результатом конструкции выходного фильтра.
Из-за высокочастотной работы очень важна развязка источника питания. Коммутационная несущая должна быть отключена от всех напряжений питания, чтобы предотвратить ухудшение работы схемы. Наконец, для минимизации генерации электромагнитных помех важна правильная разводка высокочастотной печатной платы. По мере увеличения уровня мощности коммутационные токи, проходящие по дорожкам платы с высоким импедансом, будут создавать значительный электрический шум.
Дивный новый класс
Достижения в области электронного искусства стали более междисциплинарными, чем когда-либо прежде. Аудиоприложения класса D требуют обширных знаний в области дизайна и техники. Поддержание чистоты аудиосигнала – это Святой Грааль во время этой оркестровки высокоскоростной энергии из хаоса в царство упорядоченного и эффективного воспроизведения сигнала. Аудиосистемы класса D быстро приближаются к ожиданиям аудиофилов и получают похвалы как экспертов по энергоэффективности.Должен ли сегодня любой инженер-конструктор отвергать аудиосистему как несомненную? Думаю, нет.
Что такое усилители класса D?
Общие сведения об усилителях класса D
Усилитель класса D также известен как «импульсный усилитель мощности ». Усилители класса D отрабатывают широтно-импульсную модуляцию , она преобразует входной сигнал в поток импульсов.
Усилители класса D часто ошибочно воспринимаются как цифровые усилители – или, по крайней мере, – «на два уровня лучше», чем обычный усилитель класса A.
Реальность такова, что технология класса D все чаще применяется для традиционно громоздких, тяжелых и неэффективных усилителей мощности в крупномасштабных системах оповещения, усиления голоса и живого звука.
Пример диаграммы широтно-импульсной модуляции:
Каковы преимущества усилителя класса D?
Плюсы
- Они эффективны – в отличие от усилителей класса A, которые постоянно работают на полную мощность, усилители класса D включаются и выключаются.
- Они могут быть меньше, поскольку в них нет большого трансформатора и конденсаторов.
- Их легко установить и хранить вдали, так как они не нагреваются, как усилители класса А.
- Работает по большинству вещей!
Минусы
- Некоторым людям не нравится звук, который дают усилители класса D, поскольку он может звучать очень цифровым.
Эффективность против Диаграмма искажений:
Что такое усилитель класса А?
Усилители класса A – это наиболее распространенная и простая форма усилителя мощности, у них оба выходных каскада устройства постоянно работают на полную мощность.
Обычные аналоговые усилители чрезвычайно надежны, но хорошо известны своим весом и габаритами из-за медных проводов трансформатора (ов) – и, конечно, чем мощнее усилитель, тем больше и тяжелее он будет.
Таким образом, в крупномасштабных системах громкой связи и звукоусиления – часто с выходной мощностью 1000 Вт и несколькими каналами – результирующая сборка звуковой стойки быстро становится весьма значительной, вплоть до 300 высоких стоек, требующих подъемного оборудования для их размещения в месте окончательного упокоения!
И как неэффективная технология, обычные аналоговые усилители выделяют много тепла, которое необходимо контролировать, требуя еще больше места и энергии для температурного кондиционирования.
CIE является одним из ведущих дистрибьюторов аудио в Великобритании и имеет более чем 50-летний опыт поставок и проектирования систем для многих крупнейших и высокопрофильных аудио проектов в Великобритании; наши специалисты по AV обеспечивают уникальный уровень технической поддержки и обслуживания клиентов.
Если вам нужна помощь, позвоните нам сегодня по телефону 0115 9770075 или напишите нам по электронной почте.
Есть вопрос к команде HowToAV? ..
HowToAV.tv предоставляет целый ряд советов, приемов и технологических ноу-хау для профессиональной аудиовизуальной индустрии.
Подпишитесь на наш канал YouTube сейчас по адресу howtoav.tv , чтобы получить все последние видеотрансляции, или отправьте нам свои вопросы по адресу [email protected]
Что делают усилители мощности NE5532 и LM311 класса D, как выглядят
I Описание
Класс D усилители мощности часто используются для воспроизведения музыки в различных электронных продуктах в повседневной жизни. Усилитель мощности класса D в этом блоге использует операционный усилитель NE5532 и LM311 для формирования автоколебаний, генерирующих несущую волну 150 кГц и модулирующих входной низкочастотный сигнал в импульс постоянной амплитуды.Затем усилитель мощности толкает движущуюся лампу. Наконец, низкочастотный сигнал отделяется фильтрацией.
Рис. 1. Усилитель мощности класса D
Каталог
II Как выбрать усилитель
Традиционные усилители мощности в основном делятся на следующие три категории:
- Усилители мощности класса А;
- усилители мощности класса AB;
- Усилители мощности класса B.
Усилители мощности класса A в основном усиливают слабые сигналы, и им необходимо установить напряжение смещения для стабилизации цепи, поэтому эффективность невысока.
Усилители мощности класса B не полагаются на напряжение смещения для усиления, а используют принцип, согласно которому, когда входной сигнал превышает напряжение проводимости транзистора, транзистор включается для усиления. Поскольку входной сигнал делится на положительный и отрицательный, для усиления необходимо использовать 2 триода. Потому что, когда входной сигнал меньше напряжения включения, то есть в диапазоне от -0,6 В до 0,6 В, транзистор не может быть включен. Следовательно, входной сигнал не может быть усилен и возникает искажение.Поэтому предлагается усилитель мощности класса AB.
Усилитель мощности класса AB , поскольку он напрямую усиливает аналоговый сигнал, когда он работает, он требует, чтобы транзистор находился в состоянии линейного усиления. Следовательно, необходимо рассеивать слишком много потребляемой мощности, что также имеет недостатки.
Усилитель мощности класса D преодолевает недостатки вышеупомянутого усилителя мощности класса A, усилителя мощности класса AB и усилителя мощности класса B. Он использует импульсные устройства переключения высокого и низкого уровня для включения и выключения.Затем напряжение и ток выходного сигнала усиливаются, то есть мощность усиливается, поэтому потребляемая мощность очень мала.
III Принцип работы усилителя класса D
Сначала используйте автоколебание операционного усилителя для генерации высокочастотной несущей, а затем смодулируйте входной низкочастотный аналоговый сигнал на высокочастотный сигнал через компаратор. Эта модулирующая волна представляет собой серию импульсных сигналов постоянной амплитуды, ширина которых модулируется, а частота изменяется в зависимости от амплитуды низкочастотного сигнала.Этот процесс также называется широтно-импульсной модуляцией или для краткости широтно-импульсной модуляцией.
Эта система обычно состоит из компаратора, входной сигнал представляет собой треугольную волну (несущую) и низкочастотный сигнал, и эти два сигнала сравниваются. Если низкочастотный сигнал больше, чем сигнал треугольной волны, компаратор выдает константу. Если меньше, выводится 0. Следовательно, выход компаратора представляет собой серию модулированных сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Волна модуляции на выходе усиливается мощностью переключения и фильтруется для вывода низкочастотного сигнала.
IV Принципиальная блок-схема
Рисунок 2. Принципиальная блок-схема
V Принцип работы
5.1 Принцип выбора и отображения каналов
Каналы можно разделить на 1 канал и 2 канала. В схеме выбора используется микросхема 74ls74, которая представляет собой микросхему D-триггера с двумя передними фронтами и в общей сложности 14 контактов. Поскольку входной сигнал представляет собой низкочастотный аналоговый аудиосигнал, в мультиплексоре этого блога используется микросхема 74HC4052.
Когда на выходной клемме D-триггера высокий уровень, цифровая трубка отображает 2.При этом сигнал поступает на 10-й вывод 74HC4052. Клемма цифрового выбора микросхемы выбирает вход сигнала канала Y1 и выходной сигнал Y1, то есть выбирается канал 2.
Когда выход D-триггера низкий, на цифровой лампе отображается 1. В то же время сигнал поступает на 10-й вывод 74HC4052. Клемма цифрового выбора микросхемы выбирает входной сигнал канала Y0 и выходной сигнал Y0, то есть выбирается канал 1.
5.2 Схема генерации несущей
Несущая волна, используемая в этом блоге, представляет собой треугольную волну с частотой 170 кГц.
Функция несущей заключается в модуляции входного аналогового низкочастотного сигнала на высокочастотный для формирования модулированной волны.
В схеме используется операционный усилитель NE5532 и компаратор напряжения LM311 для формирования автоколебаний.
При настройке параметров схемы следует отметить, что все микросхемы питаются от источника питания 5 В, а операционный усилитель можно разделить резистором 10 кОм, чтобы напряжение делилось на 2,5 В. При этом требуется настроить параметры так, чтобы амплитуда на выходе несущей составляла 3В.
5.3 Схема компаратора
В схеме в этой статье используется микросхема LM311. Напряжение питания микросхемы 5В. Чтобы получить статический потенциал V + = V- = 2,5 В, значение сопротивления 4 резисторов составляет 10 кОм.
Поскольку несущая Vp-p = 3 В, Vp-p аудиосигнала должно быть 4 В или меньше. В противном случае это вызовет искажение. Эта часть используется в качестве схемы модулятора, и исходный входной аудиосигнал вводится на 2-контактный положительный входной терминал операционного усилителя LM311 после выбора канала, усиления и смещения постоянного тока.Сгенерируйте треугольную несущую волну через схему автоколебаний и подайте ее на 3-контактный отрицательный входной терминал компаратора LM311.
Когда напряжение на положительной клемме вывода 2 больше, чем напряжение на отрицательной клемме вывода 3, выход будет высоким, в противном случае – низким. Когда нет входного сигнала, значение напряжения смещения постоянного тока составляет половину пикового значения треугольной волны. В это время выходной сигнал компаратора представляет собой прямоугольную волну.
Когда есть входной аудиосигнал и это положительный полупериод, время высокого уровня на выходе компаратора больше времени низкого уровня, а коэффициент заполнения прямоугольной волны больше половины;
В отрицательном полупериоде напряжение на положительном входе компаратора больше нуля. Однако время, в течение которого амплитуда аудиосигнала превышает амплитуду треугольной волны, значительно сокращается, а коэффициент заполнения прямоугольной волны составляет менее половины.Следовательно, выходной сигнал компаратора представляет собой сигнал, ширина импульса которого модулируется по амплитуде звуковым сигналом.
Таким образом, низкочастотная звуковая информация преобразуется в импульсную форму волны. Форма сигнала показана на рисунке 3.
Рис. 3. График модуляции
5.4 Схема возбуждения и схема усилителя мощности
Схема возбуждения использует полный мост IR2110. В схеме усилителя мощности используется усилитель мощности класса D, который представляет собой сильноточный коммутационный усилитель с импульсным управлением.Он превращает выходной сигнал ШИМ компаратора в высоковольтный, сильноточный и мощный ШИМ-сигнал.
5.5 Фильтр нижних частот
Несущая 150 кГц использует LC-фильтр четвертого порядка. Функция состоит в том, чтобы отделить низкочастотный сигнал от формы волны ШИМ.
Принцип работы: Когда приходит импульс с коэффициентом заполнения больше половины, время зарядки конденсатора превышает время разряда, и выходной уровень повышается. Когда приходит узкий импульс, время разряда конденсатора больше, чем время зарядки, и выходной уровень уменьшается, что совпадает с изменением амплитуды исходного звукового сигнала.Так что исходный звуковой сигнал отделен.
VI Заключение
Используйте операционные усилители NE5532 и LM311 для проектирования усилителей мощности класса D. Изготовление печатных плат, пайка, отладка и реализация соответствующих функций улучшают качество звука. Так что это более практичный усилитель мощности класса D. Проектирование и производство схем подходят для студентов, которые хорошо разбираются в аналоговой и цифровой электронике и имеют определенную конструктивную основу. Этот эксперимент позволит им освоить электронные технологии.
FAQ
NE5532 – это двойной малошумящий операционный усилитель в 8-контактном корпусе, который обычно используется в качестве усилителей в аудиосхемах из-за своей помехоустойчивости и высокой выходной мощности. Операционный усилитель имеет внутреннюю компенсацию за высокое единичное усиление с максимальной полосой качания выходного сигнала, низким уровнем искажений и высокой скоростью нарастания. |
|
Все физические размеры в дюймах и миллиметрах вы найдете на странице 19 официального технического описания TI по адресу: |
LM311 – одноканальный компаратор. При его использовании подключите опорное напряжение и напряжение сравниваемого сигнала к его неинвертирующим и инвертирующим входным клеммам (контакт 2 и контакт 3), и его выход будет результатом сравнения. Если вы хотите получить прямой выходной результат, контакт 7 подключается к положительному источнику питания, а контакт 1 является выходом. Если результат должен быть выведен в обратном порядке, контакт 1 заземлен, а контакт 7 является выходом с открытым коллектором. |
LM311 – компаратор с одним напряжением, LM393 – с двойным напряжением. LM311 имеет ток нагрузки до 50 мА и напряжение 40 В. Он может управлять реле с минимальным напряжением питания 5 В. Ток нагрузки LM393 составляет 16 мА, а минимальное напряжение составляет 2 В для одного источника питания. |
Их функции такие же, и серия 1XX может использоваться в более суровых условиях. Серия 3XX может использоваться только в коммерческой среде, обычно в соответствующем температурном диапазоне устройства. Цена 1хх намного дороже 3хх. |
Функция балансировки зеркального тока обратной цепи реализована подключением потенциометра посередине. В дополнение к функции баланса, 6-контактный вывод также имеет функцию стробирования, а 6-контактный вывод может быть заземлен через схему управления транзистором для вывода строба. |
Все компараторы представляют собой выходы с открытым коллектором, без сопротивления нагрузки, они не могут выдавать сигналы напряжения. Двойные блоки питания могут обнаруживать сигналы ниже нуля, а одиночные блоки питания могут обнаруживать только сигналы выше нуля. |
Конечно, LM311 может питаться от двойного источника питания ± 5 В.Его требование для рабочего источника питания состоит в том, чтобы разница напряжений между положительным и отрицательным источником питания (или напряжением отдельного источника питания) составляла не менее 3,5 В, а максимальное – 30 В, если оно находится в этом диапазоне. |
Высокопроизводительные КМОП-усилители мощности класса D с широтно-импульсной модуляцией
Абстрактные
Целью данного исследования является изучение схемотехники и архитектур, подходящих для реализации в цифровых технологиях, которые могут быть использованы для повышения эффективности силовых каскадов.В частности, рассматривается использование переключаемых силовых каскадов с методами широтно-импульсной модуляции. Каскады мощности переключения, такие как усилители класса D, по своей природе хорошо подходят для реализации в глубоко субмикронных КМОП. Широтно-импульсная модуляция (PWM) использует дискретные уровни амплитуды и кодирует информацию о сигнале в виде локальных средних значений, основанных на времени, и, как таковая, также может извлечь выгоду из таких технологий. Кроме того, ШИМ не страдает от шума квантования и хорошо подходит для приложений с низким уровнем шума.Предлагаются конструкции ШИМ, которые могут применяться для различных требований к полосе пропускания сигнала, от нескольких десятков до сотен кГц. Приложения для этих архитектур включают аудиосистемы, связь по линиям электропередач и беспроводную связь. Проблемы проектирования и требования, которые могут возникнуть в различных контекстах приложений, рассматриваются в спецификации архитектур. Общая цель определения архитектур – минимизировать сложность проектов. В первой части диссертации описывается автоколебательный ШИМ-усилитель третьего порядка класса D для аудиоприложений, в котором используется гистерезисный компаратор.Конструкция анализируется, и ее THD теоретически определяется с использованием эквивалентной модели, которая связывает подход к естественной широтно-импульсной модуляции дискретизации. Архитектура устраняет необходимость в высококачественном генераторе несущей. Недорогой метод компенсации гистерезиса используется для улучшения характеристик искажения при высоких уровнях выходной мощности. Реализация представлена в формате CMOS 0,7 мкм. Эта конструкция обеспечивает динамический диапазон (DR) 116,5 дБ и коэффициент нелинейных искажений + шум 0,0012%, обеспечивая при этом мощность 125 мВт на нагрузку 8 Ом на частоте 1 кГц.THD + N составляет от 0,006% до 90% максимальной выходной мощности. Усилитель может выдавать 1,45 Вт на нагрузку с THD 5% при питании от источника питания 5 В. КПД превышает 84% при выходной мощности более 1 Вт. Площадь усилителя составляет 6 мм². Достигнутая производительность указывает на то, что конструкция хорошо подходит для высокопроизводительных аудиоприложений. Далее представлен линейный драйвер класса D, использующий метод генерации ШИМ на основе цикла фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Анализируются принцип работы и детали реализации, относящиеся к стабильности контура, линейности и шумовым характеристикам.Реализация представлена в 130-нанометровом CMOS-процессе. Усилитель может выдавать 1,2 Вт при нагрузке 6,8 Ом при напряжении питания 4,8 В. Архитектура устраняет потребность в высококачественном генераторе несущей и быстром, непрерывном компараторе напряжения, которые часто требуются в реализациях ШИМ. Конструкция позволяет достичь THD -65 дБ с частотой переключения, которая может достигать 20 МГц. Пиковая эффективность составляет 83% для выходной мощности более 1 Вт при частоте переключения 10 МГц.Площадь усилителя 2,25 мм². Эта архитектура потенциально подходит для приложений Powerline. Наконец, предлагается декартовы ШИМ-передатчик на основе схемы фазовой автоподстройки частоты, способный управлять переключаемыми усилителями мощности, такими как усилитель мощности класса D. Метод на основе петли фазовой автоподстройки частоты используется для генерации высокочастотного потока импульсов ШИМ с центральной частотой 1,28 ГГц. Прототип смоделирован с использованием 130-нм КМОП-процесса и обеспечивает максимальную эффективность 35% при выходной мощности 17 дБмВт с несущей частотой 900 МГц.При моделировании проверяется работа архитектуры с непостоянной модуляцией огибающей, например, используемой в стандарте WCDMA.
Схема синусоидального инверторакласса D – самодельные проекты схем
Синусоидальный инвертор, использующий функции усилителя класса D путем преобразования малой входной синусоидальной частоты в эквивалентные синусоидальные ШИМ, которые, наконец, обрабатываются Н-мостовым драйвером BJT для генерации синусоиды сети Выход переменного тока от источника постоянного тока.
Что такое усилитель класса D
Принцип работы усилителя класса D на самом деле прост, но чрезвычайно эффективен.Входной аналоговый сигнал, такой как аудиосигнал или синусоидальная форма волны от генератора, прерывается в эквивалентные ШИМ, также называемые SPWM.
Эти синусоидальные эквивалентные ШИМ или SPWM подаются на силовой каскад BJT, где они усиливаются большим током и подаются на первичную обмотку повышающего трансформатора.
Преобразователь, наконец, преобразует синусоидальный эквивалент SPWM в синусоидальный сигнал переменного тока 220 В или 120 В, форма волны которого точно соответствует входному синусоидальному сигналу от генератора.
Преимущества инвертора класса D
Основным преимуществом инвертора класса D является его высокий КПД (почти 100%) при умеренно низкой стоимости.
Усилители класса D просты в сборке и настройке, что позволяет пользователю быстро создавать эффективные синусоидальные инверторы большой мощности без особых технических проблем.
Поскольку BJT должны работать с ШИМ, это позволяет им быть холоднее и эффективнее, а это, в свою очередь, позволяет им работать с меньшими радиаторами.
Практичный дизайн
Практический дизайн схемы инвертора класса D можно увидеть на следующей схеме:
IC 74HC4066 может быть заменен на IC 4066, в этом случае отдельные 5V не потребуются, а общий 12В можно использовать для всей цепи.Инвертор ШИМ класса D работает довольно просто. Синусоидальный сигнал усиливается каскадом операционного усилителя A1 до уровня, достаточного для управления электронными переключателями ES1 — ES4.
Электронные переключатели ES1 – ES4 открываются и закрываются, вызывая попеременно генерацию прямоугольных импульсов на базах транзисторов T1 – T4 моста.
ШИМ или ширина импульсов модулируется входным синусоидальным сигналом, в результате чего на силовые транзисторы и трансформатор подаются ШИМ, эквивалентные синусоиде, и в конечном итоге вырабатывается предполагаемый синусоидальный сетевой переменный ток 220 В или 120 В на выходе трансформатор вторичный.
Коэффициент заполнения прямоугольного сигнала, создаваемого выходами ES1 — ES4, модулируется амплитудой усиленного входного синусоидального сигнала, что вызывает сигнал SPWM переключения выхода, пропорциональный среднеквадратичному синусоидальному сигналу. Таким образом, время включения выходного импульса соответствует мгновенной амплитуде входного синусоидального сигнала.
Интервал периода переключения времени включения и времени выключения вместе определяет частоту, которая будет постоянной.
Следовательно, прямоугольный сигнал с одинаковыми размерами (прямоугольная волна) создается в отсутствие входного сигнала.
Чтобы добиться достаточно хорошей синусоиды на выходе трансформатора, частота прямоугольной волны от ES1 должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частоты входного синусоидального сигнала.
Электронные переключатели как усилители
Стандартная работа усилителя ШИМ обеспечивается четырьмя электронными переключателями, выполненными на основе ES1 — ES4. Предположим, что вход операционного усилителя на нулевом уровне, заставляет конденсатор C7 заряжаться через R8, пока напряжение на C7 не достигнет уровня, достаточного для включения ES1.
ES1 теперь закрывается и начинает разряжать C7, пока его уровень не упадет ниже уровня включения ES1. ES1 теперь выключается, снова инициируя зарядку C7, и цикл быстро включается / выключается с частотой 50 кГц, что определяется значениями C7 и R8.
Теперь, если мы рассмотрим наличие синусоидальной волны на входе операционного усилителя, она фактически вызывает принудительное изменение цикла заряда C7, в результате чего выходное ШИМ-переключение ES1 модулируется в соответствии с последовательностью нарастания и спада. синусоидального сигнала.
Выходные прямоугольные волны от ES1 теперь создают SPWM, коэффициент заполнения которого теперь изменяется в соответствии с входным синусоидальным сигналом.
Это приводит к тому, что SPWM, эквивалентный синусоиде, попеременно переключается через мост T1 — T4, который, в свою очередь, переключает первичную обмотку трансформатора для генерации необходимой сети переменного тока из вторичных проводов трансформатора.
Поскольку вторичное переменное напряжение создается в соответствии с первичным переключением SPWM, результирующий переменный ток является полностью эквивалентным синусоидальному переменному току входного синусоидального сигнала.
Генератор синусоидальной волны
Как обсуждалось выше, для инверторного усилителя класса D потребуется входной сигнал синусоидальной волны от схемы генератора синусоидальной волны.
На следующем рисунке показана очень простая схема генератора синусоидальной волны на одном транзисторе, которую можно эффективно интегрировать с инвертором PWM.
Частота вышеупомянутого генератора синусоидальной волны составляет около 250 Гц, но нам нужно, чтобы она составляла около 50 Гц, которую можно изменить, соответствующим образом изменив значения C1 — C3 и R3, R4.
После установки частоты выход этой схемы может быть связан с входом C1, C2 платы инвертора.
Конструкция печатной платы и проводка трансформатора
Перечень деталей
Трансформатор: ток 0-9 В / 220 В, будет зависеть от мощности транзистора и номинальной емкости батареи в ампер-часах
Технические характеристики:
Предлагаемый ШИМ-инвертор класса D представляет собой небольшой 10-ваттный инвертор.
