Как работают усилители разных классов: A, B, D, G, X и лампа
У всего есть свое начало, и, если мы говорим о режимах работы усилителя, у истоков стоит конечно же класс А. Именно с него началась история усилителей в частности и электронного аудио в целом.
naumov 28 июня 2019 в 09:10
AB
Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Этот тип усилителей до недавнего времени применялся в Hi-Fi-аппаратуре в разы чаще, чем любой другой.
naumov 12 июля 2019 в 09:10
GH
Предпосылкой к созданию усилителей класса G был факт нелинейности уровня музыкального сигнала. Большую часть времени музыка звучит на малом и среднем уровне, когда от усилителя не требуется большая мощность.
naumov 26 июля 2019 в 09:10
XD/XA
Нулевая точка — это самое уязвимое место в музыкальном сигнале, и, несмотря на все ухищрения со смещением, производимые в классе АВ, все же куда лучше, когда нулевую точку сигнала воспроизводит один транзистор, и его затвор не балансирует на грани открытия или закрытия.
naumov 09 августа 2019 в 09:10
D
В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.
naumov 23 августа 2019 в 09:10
ЛАМПА!
Классы усиления — вполне логичный и понятный способ отличить одну типовую схему от другой. Однако, применительно к ламповой схемотехнике такого подхода оказалось недостаточно.
Как работает усилитель класса D
Усилители класса D начали массово использоваться в Hi-Fi лет 30 (или даже больше) назад. И все это время их конструкция и параметры совершенствовались. Эволюция этой технологии постепенно привела к тому, что, качество звука усилителей данного класса стало как минимум не хуже конструкций более традиционного для Hi-Fi класса A/B — разумеется, если разработчики правильно применяют данную технологию. Что ж, давайте поближе познакомится с усилителями D-класса.
По порядку рассчитайся!
Начнем с того, что буква D в названии этих усилителей выбрана исключительно как следующая по алфавиту после A, В и C, которыми были обозначены классы усилителей по мере их разработки. Но, если различия между первыми тремя хотя и значительны, но в целом позволяют отнести их к одному общему виду с точки зрения схемотехники, то класс D – это совсем другой «зверь».
Как мы помним, в классах A, B, A/B и C выходные каскады усилителей имеют дело с непрерывным сигналом, и при их работе та или иная часть энергии от источника питания расходуется впустую (то есть в тепло). Как следствие — необходимость использования пассивных или активных устройств для охлаждения, а также блоков питания с избыточной мощностью. Что вполне логично приводит к увеличению размеров и веса таких усилителей. Кстати, именно из-за непрерывного режима работы усилители перечисленных классов обычно называют «линейными», и для их обозначения мы также для краткости воспользуемся этим термином.
При разработке усилителей класса D было решено придумать схему, в которой бы вся (ну или почти вся) энергия блока питания преобразовывалась в выходной сигнал, подаваемый на колонки. И этого удалось достичь, переведя усилитель из линейного режима работы в импульсный. На первом рисунке показана упрощенная схема усилителя класса D. В принципе, у этой схемы есть определенное сходство с двухтактными усилителями линейного класса, и даже использование на выходе так называемых полевых МОП-транзисторов не является чем-то необычным. Применение в усилителях класса D именно таких транзисторов является принципиально важным, так как только они обладают необходимым быстродействием для передачи импульсного сигнала. Оптимальный КПД такого усилителя был бы достигнут, если бы его выходные транзисторы могли переключаться мгновенно, то есть находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. В реальном мире таких транзисторов пока еще не существует, но даже эффективность типичного усилителя класса D почти в два раза превышает эффективность схемы A/B-класса — более 90 процентов против примерно 50-ти.
Модуляция по широте
Ключевым же (в прямом и переносном) смысле схемы усилителя класса D является компаратор. Компаратор — это электронный «кирпичик», который имеет два входа: назовем их входом A и входом B. Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение.
На рисунке 2 показано, что делает компаратор в усилителе класса D. На один вход (вход A) подается сигнал, который нужно усилить (линия синего цвета). На другой вход (вход B) поступают треугольные импульсы фиксированной частоты от специального задающего генератора (красная линия). В тот момент, когда уровень входного сигнала превышает уровень сигнала с генератора, выходной сигнал компаратора становится положительным. Когда входной сигнал оказывается ниже уровня «треугольника», выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна уровню сигнала в каждый момент (нижний график). Все просто, не правда ли? Теперь вы знаете, что такое широтно-импульсная модуляция или ШИМ — именно она чаще всего и используется в усилителях класса D.
Далее, выходной сигнал фильтруется для удаления помех и сглаживания формы, и подается на колонки, для работы которых он уже не будет ничем отличаться от получаемого с обычных линейных усилителей.
Чем чаще, тем лучше
Важно понимать, что чем выше частота импульсов задающего генератора, тем более детальным будет звучание усилителя. Например, если эта частота составит 300 кГц (что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты), то усилитель класса D уже можно отнести к Hi-Fi. Динамический диапазон его звука и отношение сигнал / шум также зависят от частоты задающего генератора — чем она выше, тем лучше. Однако недостатком увеличения этой частоты является то, что с ее ростом усилитель класса D будет становиться менее эффективным, то есть будет терять принципиальное преимущество перед линейными схемами.
Конструкция усилителя Pro-Ject MaiA – без компромиссов
Еще один момент заключается в том, что схема класса D – это все-таки не вечный двигатель и для того, чтобы развить высокую выходную мощность, такому усилителю нужен соответствующий блок питания. Да, его энергия будет использоваться гораздо более эффективно, чем в линейных усилителях, но тем не менее мощность блока питания усилителя класса D должна немного превышать показатель его выходной мощности. А с ростом частоты задающего генератора потребляемая усилителем класса D энергия также будет расти.
Ограничения класса D
Если бы класс D был идеальным, то такие усилители уже полностью захватили бы мир Hi-Fi. Но, как и у любой другой технологии, у класса D есть свои недостатки. Пожалуй, можно начать со значительного уровня помех, которые способны генерировать подобный усилитель. И «простым» экранированием его схемы задачу по их устранению не решить — излучателем помех является акустический кабель, если из выходного сигнала не полностью удалены импульсы, вносимые генератором. За удаление этих помех отвечает фильтр на выходе усилителя, и именно от правильности его расчета и исполнения зависит качество звучания усилителя класса D.
Вторая проблема класса D напрямую связана с первой. Выходной фильтр на выходе такого усилителя пассивный, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, а значит, рассчитан на подключения определенного сопротивления. А мы уже знаем, что сопротивление колонок, указанное в их паспортных данных — например, 8 Ом — является величиной непостоянной, меняющейся в зависимости от частоты сигнала. Это сопротивление (точнее, импеданс, а значит еще и импеданс и емкость) подключенных колонок значительно влияет на параметры фильтра, снижая его эффективность.
И, в-третьих, усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования нагрузки. Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (на самом деле все гораздо сложнее, но пока не будем погружаться в частности) Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диффузоров динамиков колонок. Хороший усилитель не просто двигает диффузор вперед и назад, а контролирует его перемещение по всей траектории. Для этого и необходим высокий коэффициент демпфирования.
Новый усилитель Pro-Ject Stereo Box DS2 удваивает выходную мощность при переходе с 8 на 4-Омную нагрузку
Нет предела совершенству
Совершенствование технологии усилителей класса D привело не только к улучшению их звучания, но и упрощению конструкции, в том числе и за счет появления ряда специализированных микросхем. Как и обычно в Hi-Fi, по-настоящему качественный усилитель класса D нельзя сделать дешевым, однако есть много устройств, где данная технология реализована буквально «за копейки». Фактически из преимуществ данной технологии в них остаются только значительная выходная мощность при миниатюрных размерах (и то в сочетании с не самой высокой надежностью), но о качестве звука там можно забыть. К сожалению, многие меломаны, услышав такие усилители, в дальнейшем считают подобное звучание характерным для всех моделей класса D. Но к счастью, на рынке есть компании, чьи D-усилители как минимум не уступают, а то и превосходят по качеству звука сравнимые по цене аппараты, выполненные по классическим линейным схемам, одновременно являясь более компактными и мощными. Как знать, может быть это и есть будущее Hi-Fi индустрии?
Усилители разного класса (A, AB, D) — в чем разница?
Всем привет! Объясните, пожалуйста, в чём разница в усилителях разных классов (A, AB, D). Чем отличаются и какой предпочтительней, если нужен очень мощный?
Ответы
В двух словах: разные режимы работы выходных каскадов (к слову сказать, есть много разновидностей, а не только А, АВ) с разным КПД. Класс Д — усилитель мощности построенный по принципу широтно-импульсной модуляции сигнала — очень высокий КПД
Какой нравится — решать исключительно только Вам. Я — убежденный сторонник А-класса.
Вопрос: зачем Вам «очень мощный»? Мне, вот, в 18м.кв. более чем достаточно 3,5 Вт. Главное не мощность, а качество, высокая верность звуковоспроизведения.
Просто у меня колонки jbl 4343 , к ним советуют мощные усилки , вот и спросил какая разница в классе А и АВ, читаешь объявления о продаже и люди пишут мол » чистый класс А»- это что значит очень мощный )))) или вообще не париться на эту тему?))) у меня сейчас усилок интегральник по 200 ват , но чувствую не совсем тянет!
Возможно, там и не 200 Вт — смотрите энергопотребление. Узнаёте его и делите на 5-6 — и узнаёте выходную мощность на канал номинальную. Музыкальная будет раза в полтора выше — клип-фактор и .д.
Класс А — каждое плечо усилителя усиливает оба порлупериода сигнала. Результат: нет искажений типа «ступенька», чистый звук, но невысокий кпд, большая часть потребляемой мощности идёт на нагрев радиатора. Класс В — каждое плечо усиливает только «свою» полуволну сигнала. результат: искажения типа «ступенька», высокий кпд, посредственный звук. Класс АВ — каждое плечо усиливает больше одной полуволные сигнала, т.е. есть промежуток, на котором оба плеча работают совместно. Это своего рода компромисс, чтобы получить хороший звук и высокую мощность, но при этом вывести кпд на нормальный уровень.
Полностью согласен с Wadim’ом: главное — качество. У меня 20Вт на канал номинальной, и как-то даже многовато бывает=)
Вадим, мы могли бы пообщаться с Вами не в рамках этого форума?
Классы усилителей. Устройство и принципы работы
Усилители 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.