Усилители класса D,G,H,T
Существуют и другие классы усилителей, предназначенные для усиления звука с максимально возможным КПД. Они обозначаются буквами D, G, Н, Т. В высококачественной аппаратуре такие типы усилителей не используются.
При этом некоторые из них могут иметь объективно высокие параметры (например, низкое значение коэффициента нелинейных искажений). Усилители класса Н в виде мощных интегральных схем используются в некоторых конструкциях автомобильных сабвуферов. Усилители класса D используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ): преобразование сигнала на входе в последовательность коротких импульсов различной длительности и обратное восстановление на выходе усилителя.
Несколько лет назад появились ШИМ-усилители с обозначением «класс Т» в виде мощных интегральных схем и были разрекламированы как высококачественные системы. Автор этой книги приобрел такой усилитель. При напряжении питания 12 В усилитель отдавал в нагрузку до 10 Вт мощности, рассеивая на корпусе микросхемы всего 1 Вт (т. е. КПД около 90 %!). Однако звучание усилителя качественным назвать нельзя: при прослушивании создается впечатление, что кроме музыки в помещении непрерывно работает распылительный аэрозольный баллончик.
Сравнение с фонокорректором
Фонокорректор необходим для коррекции АЧХ. Это усилитель-корректор с особой амплитудно-частотной характеристикой. Сигнал, поступаемый с магнитного картриджа, более низкий в сравнении с линейными источниками. Встраиваемый фонокоррекор позволяет напрямую подключать проигрыватель винила. С его помощью удается вернуть сигнал к первоначальному значению.
Изначально корректоры встраивали в усилители, отмечая вход надписью PHONO. Сейчас большинство устройств такого типа устарело, поэтому найти их практически невозможно. Платы можно купить отдельно, встроив к приборам с усилителем. Отличие между корректором и предусилителем заключается в том, что он возвращает звук к первоначальному уровню, а усилитель меняет его. В этом и заключается основная разница между устройствами.
Однако фонокорректор необходим при работе со звуком далеко не всегда. Например, если у предусилителя есть специальные входы Phono MM или МС (либо какой-то 1 из них), необходимости в использовании внешнего фонокорректора нет. Однако если устройство снабжено лишь линейными входами, обойтись без фонокорректора не получится. Он обеспечит необходимое звуковое напряжение.
Предусилитель хорош тем, что делает возможным коммутацию разных источников. Также он отвечает за плавность регулировки громкости, регулирование стереобаланса, ВЧ и НЧ, а в некоторых моделях отвечает и за «тонкомпенсацию». Отдельные устройства снабжены встроенными фонокорректорами со входами для ММ или МС (либо с обоими). Встраиваемые фонокорректоры являются атрибутами предусилителей.
Как определить?
Для начала остановимся на том, как в принципе функционирует усилитель. Наверняка вы будете удивлены, но по факту заводской усилитель ничего не усиливает. По сути, механизм его работы напоминает работу самого простого крана: вы крутите ручку и вода из водопровода начинает литься, сильнее или слабее, а если ее закрутить — то поток будет перекрыт. В усилителях все процессы происходят таким же образом. От мощного модуля питания ток проходит сквозь подключенный к устройству динамик. В данном случае функцию крана берут на себя транзисторы — на выходе степенью их закрытия и открытия управляет сигнал, который проходит на усилитель. От того, как именно этот кран функционирует, то есть как действуют выходные транзисторы, и определяется класс усилителей.
Если мы говорим об устройствах АВ, то в них транзисторы могут иметь неприятное свойство открываться и закрываться непропорционально поступающим на них сигналам. Таким образом, их работа становится неизменной. Возвращаясь к аналогии с краном — вы можете поворачивать ручку краника, но вода сперва будет течь слабо, а затем вдруг поток внезапно усилится.
По этой причине транзисторы категории АВ приходится удерживать в приоткрытом состоянии даже в том случае, если сигнал отсутствует. Это необходимо для того, чтобы они начали работать сразу же, а не выжидали, пока сигнал дойдет до определённого уровня – только в этом случае усилитель сможет воспроизводить звук с минимальными искажениями. На практике это означает, что некоторая часть полезной энергии расходуется вхолостую. Только представьте, что вы откроете все водопроводные краны в квартире, и из них беспрерывно будет вытекать небольшая струйка воды. Как следствие, эффективность таких моделей не превышает 50-70%, именно низкий КПД и является главным минусом усилителей АВ класса.
Если говорить об устройствах D-класса, то принцип работы у них абсолютно такой же: они имеют свои выходные транзисторы, способные закрываться и открываться. Тем самым регулируется прохождение тока сквозь подведенные к ним динамики, вот только управляет их открытием уже сигнал, по своей конфигурации весьма далекий от входящего.
Именно так подается сигнал на выходные транзисторы устройств D-класса. В данном случае функционировать они станут совсем иначе: либо в полном объеме закрываться, либо открываться без каких-либо промежуточных значений. Это означает, что КПД таких моделей может быть приближен к 100%.
Конечно, передавать подобные сигналы на аудиосистемы рано, сперва ему следует вернуть стандартную конфигурацию. Это можно сделать посредством выходного дросселя, а также конденсатора — после их обработки на выходе формируется усиленный сигнал, который по своей форме полностью повторяет входящий. Именно он и передается на динамики.
Основное преимущество устройств D-класса – это повышенный КПД и, соответственно, более щадящее расходование энергии
Долгое время было принято считать, что для подключения качественных акустических установок оптимальным решением станут усилители АВ. Модели категории D давали преобразование поступающего сигнала в импульсный с пониженной частотой, в итоге он давал хорошее звучание только в сабвуферном режиме. В наши дни технологии сделали большой шаг вперед, и сегодня появились уже быстродействующие транзисторы, которые могут открываться, а также и закрываться почти моментально, в магазинах представлено довольно много широкополосных устройств D-класса.
Эти модели предназначены на применение не только с сабвуферами, но также и с современными акустическими системами любых типов. Для тех вариантов, когда высокой мощности не требуется, имеет смысл приобрести довольно компактный усилитель.
Таким образом, если для подключения АС у вас достаточно площади, то вы вполне можете подобрать модель АВ-класса. За несколько десятилетий существования схемотехника этих моделей хорошо отработана, они дают довольно хорошее качество звучания, а в случае их поломки вы можете без проблем отремонтировать их в ближайшем сервисном центре.
Если участок для звуковой инсталляции ограничен, то стоит присмотреться к широкополосным моделям группы D. При тех же мощностных параметрах, что и изделия АВ-класса, они гораздо меньше и легче, притом меньше греются, и некоторые модели позволяют даже устанавливать их скрытно с наименьшими вмешательствами.
Для подключения сабвуферов максимальное преимущество у установок D-класса, так как темброблок басов представляет собой наиболее энергозатратный частотный диапазон — в данном случае КПД изделия имеют принципиальное значение, а в этом конкурентов изделиям D класса попросту нет.
В данном видео вы сможете нагляднее ознакомиться с классами усилителей звука.
Звук
Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.
В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.
Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно
Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии
Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.
Вердикт
Итак, мы разобрали, что значит «интегральный усилитель». Теперь вы точно знаете, что это, какие они бывают и на какие типы делятся. Также нами были рассмотрены самые интересные и популярные модели из существующих на рынке. В списке оказались как классические усилители начального уровня, так и топовые гибридные модели (с использованием ламп). О рекомендациях к покупке никакой речи не идет. Ибо для бюджетного уровня свои рекомендации, а для премиального — совсем другие. Но смысл в том и в другом случае один — обеспечить высококачественный звук. Однако стоит отметить, что он будет достижим только в том случае, если остальные компоненты системы находятся на должном уровне. Должны присутствовать качественные провода с позолоченными разъемами, качественные акустические системы, способные воспроизводить тот диапазон частот, который доступен усилителю. Также необходимо озаботиться качественным источником звука. В этой роли может выступать виниловый проигрыватель среднего уровня. Также подойдет средний проигрыватель компакт-дисков. Неплох будет и компьютер или ноутбук с выделенной звуковой картой. Только при соблюдении всех этих условий можно будет добиться высококачественного звука. В противном случае не стоит даже и пытаться. Как бы то ни было, даже если присоединить хороший усилитель к компьютеру со встроенной звуковой картой, результат будет налицо. Однако подведем итоги.
Что такое интегральный усилитель?
Итак, что такое интегральный усилитель. Это устройство для усиления звука, которое включает в себя предусилитель, распределитель и сам усилитель мощности. Все это интегрировано в один корпус (потому и интегральный), в отличие от двухблочных и трехблочных систем. Усилители такого типа могут обеспечить высокую удельную мощность и довольно качественный звук. На данный момент именно такие устройства являются наиболее распространенными. Оно и понятно. Их гораздо удобнее использовать в домах, в офисах и квартирах. Интегральные усилители имеют свои категории: «А», «В», «АВ», «С» и так далее.
Высшей (и самой сложной) считается категория «А». Эти устройства обладают непревзойденным качеством звука и стоят очень дорого. Но не так дорого, как их двухблочные и трехблочные «коллеги» (которые стали уделом профессионалов и аудиофилов). По типу питания различают усилители со встроенным блоком и модели с выносным блоком питания (который находится вне корпуса). Второй вариант, конечно, выдает более чистый звук (в теории), но с ним больше возни. Поэтому большинство предпочитают усилители со встроенным блоком питания. А теперь рассмотрим основные категории интегральных усилителей.
Классификация на основе режима работы
На основе режима работы, то есть части цикла ввода, в течение которого протекает ток коллектора, усилители мощности могут быть классифицированы следующим образом.
- Усилитель мощности класса A
— когда ток коллектора протекает постоянно во время полного цикла сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощностикласса А.
- Усилитель мощности класса B
— когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощностикласса B.
- Усилитель мощности класса C
— когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощностикласса C.
Усилитель мощности класса A
— когда ток коллектора протекает постоянно во время полного цикла сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощностикласса А.Усилитель мощности класса B
— когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощностикласса B.Усилитель мощности класса C
— когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощностикласса C. Там формируется другой усилитель, называемый усилителем класса AB, если мы объединяем усилители класса A и класса B, чтобы использовать преимущества обоих.
Прежде чем углубляться в детали этих усилителей, давайте взглянем на важные термины, которые необходимо учитывать для определения эффективности усилителя.
Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами
Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее — в классе A.
Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).
Виды усилителей звука
Акустическая аппаратура имеет разнообразные характеристики и области применения, поэтому и усилитель звука имеет несколько разновидностей. По мощности бывают:
- предварительные, являющиеся промежуточным звеном;
- оконечные, непосредственно увеличивающие мощность;
- интегральные, объединяющие две предшествующие разновидности в единый прибор.
По элементной базе различают:
- ламповые;
- транзисторные;
- интегральные устройства.
По количеству подключаемых каналов приборы делятся на:
- одноканальные устройства;
- двухканальный девайсы;
- многоканальные усилители.
Важным критерием классификации является и область применения устройства:
- Автомобильный усилитель звука.
- Домашние аудио комплексы.
- Концертная аппаратура.
- Студийная аппаратура.
Принцип работы
Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.
Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».
Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.
Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.
Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.
Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.
На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.
Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.
Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.
Классы G и H
Еще одна пара конструкций, разработанных для повышения эффективности. С технической точки зрения, ни усилители класса G, ни класса H официально не признаны. Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A/B, использующие переключение напряжения на шине и модуляцию шины соответственно. В любом случае в условиях низкого спроса система использует более низкое напряжение на шине, чем аналогичный усилитель класса A/B, что значительно снижает энергопотребление. Когда возникают условия высокой мощности, система динамически увеличивает напряжение на шине (то есть переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.
Недостатки есть тоже. Главный из них заключается в высокой стоимости. В оригинальных схемах коммутации сетей использовались биполярные транзисторы для управления выходными потоками, что повышает сложность и стоимость. Высококачественные ламповые усилители звуковой частоты этого типа распространены, хоть и цена начинается от 50 тысяч рублей. Блок считается профессиональной техникой для работы на сцене либо проведения звукозаписи в студии. Есть проблемы с транзисторами. При продолжительной нагрузке часть из них может выходить из строя.
Сегодня цена часто уменьшается до некоторой степени при использовании сильноточных МОП-транзисторов для выбора либо изменения направляющих. Использование полевых МОП-транзисторов не только повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньше деталей (обычно одно устройство на поток). В дополнение к стоимости коммутации на шине, самой модуляции, также стоит отметить, что некоторые усилители класса G используют больше выходных устройств, чем типичная конструкция класса A/B.
Одна пара устройств будет работать в типичном режиме A/B, питаясь от низковольтных шин. Между тем другая находится в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, активируемый только в зависимости от ситуации. Выдерживают высокие нагрузки только классы G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность оправдывает себя. Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G/ H в отличие от A/B, учитывая, что возможность переключения в режим низкой мощности означает, что они могут обойтись с немного меньшим радиатором.
Частотные характеристики
Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.
Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин – практически прямая линия. Если на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.
Классификация
Класс усилителя — это величина выходящего сигнала, при которой он в функциональной схеме на протяжении одного рабочего цикла приводится в действие синусоидальным входящим сигналом и в результате этого воздействия изменяется. Классификация усилителей по классам зависит от параметров линейности режима, используемого для усиления поступающих сигналов от категорий с повышенной точностью при довольно сниженной эффективности до абсолютно нелинейных. В этом случае точность звуковоспроизведения сигнала не столь велика, зато КПД довольно высок. Все остальные классы усилителей являются некими промежуточными моделями между этими двумя группами.
Первая группа
Все классы усилителей условно можно разделить на две подгруппы. К первой относятся классические управляемые модели классов A, B, а также AB и C. Их категория обусловлена параметром их проводимости на определенном участке выходного сигнала. Таким образом, работа встроенного транзистора на выходе располагается посредине между «выкл» и «вкл».
Вторая группа
Ко второй категории устройств относят более современные модели, которые считаются так называемыми переключающимися классами — это модели D, E, F, а также G, S, H и T.
Эти усилители применяют в работе широтно-импульсную модуляцию, а также цифровые схемы для беспрерывного переведения сигнала между «полностью выкл» и «полностью вкл». Как следствие, происходит мощный выход в районе насыщения.
