Унч класса а – «холод» ламп без трансформатора, DIY-компиляции, десятилетия мучений с классом «Д» / Pult.ru corporate blog / Habr

A, B, AB, H, D?

Когда мы тестируем в нашей акустической лаборатории усилители для автомобильных аудиосистем, то частенько упоминаем в материалах их классы, мол, этот работает в экономичном классе D, а тот чисто для аудиофилов — в классе Real АВ. И тут мне недавно задали вопрос: а что это за классы такие вообще? Ну что ж, разберемся.
Выбирая в магазине подходящий усилитель для аудиосистемы, обратите внимание на то, в каком классе они работают. Класс АВ можно назвать традиционным, в нем работает большинство усилителей. В последнее время все чаще встречаются усилки класса D, которые называют цифровыми, хотя это не совсем правильно, и скоро вы поймете почему. Что предпочесть? Какой лучше? Как обычно, однозначного ответа нет, поскольку у каждого есть свои преимущества и недостатки. Но для начала пару слов о том, что и как там вообще происходит внутри.

КАЧНЕМ ТОКУ
Основные элементы практически любого усилителя — это транзисторы. Не будем вдаваться в суть построения различных схем, тем более, что их на самом деле далеко не одна, а выделим основное — сам принцип работы. Для этого на время представим усилитель в виде, ну, скажем... водопровода. Неожиданно, правда? Тем не менее, аналогия налицо, и вы сейчас в этом убедитесь. Во-первых, в усилителе есть блок питания, преобразующий однополярное напряжение бортовой сети („плюс" и „масса") в двухполярное („плюс",„масса" и „минус"). Мы уже говорили, зачем он необходим, когда рассматривали, как измеряются мощности усилителей. Так вот, в такой системе двухполярный блок питания будет представлять собой не что иное, как два насоса (насос со стороны „+" будет как бы накачивающим, а насос со стороны „-" как бы откачивающим ток относительно массы). Наша задача — пустить эти потоки через нагрузку усилителя (нагрузка — это как раз подключенный к усилителю динамик). Для этого, понятное дело, нужны краны, которые будут управлять этими потоками.

Вот как раз роль этих кранов и играют транзисторы. Они могут открываться, пропуская через себя большой поток, или закрываться, уменьшая его. „Краны" эти по отношению друг к другу обратные: когда один начнет закрываться, другой будет открываться. Соответственно, поток от „насосов" будет направляться через нагрузку то в одну, то в другую сторону. А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА А. В, АВ, Н
Но на самом деле просто открывать и закрывать транзистор еще мало, ведь нам нужно, чтобы сигнал усиливался без искажений, то есть, чтобы выходной сигнал по форме в точности повторял входной. Значит нам необходимо, чтобы транзисторы (эти самые краны) открывались и закрывались по строго линейному закону, строго пропорционально входному сигналу.

Но вот незадача, на самом деле транзистор может так работать не во всем своем диапазоне. Например, если входной сигнал слишком маленький, то транзистор на него почти не реагирует, зато при достижении определенного уровня резко открывается. Какая уж тут линейность? А вот дальше этого момента реагирует на изменение управляющего сигнала вполне адекватно, почти что линейно. Значит, для того, чтобы искажений было как можно меньше, транзистор придется все время держать в приоткрытом состоянии. Это называется задать смещение транзистора или выбрать его рабочую точку.
В этом случае говорят, что усилитель работает в классе А. Такой класс усилителей по праву считается аудиофильским, поскольку обеспечивает очень маленькие искажения сигнала. Но самый главный его недостаток — высокий ток покоя. Ток покоя — это ток, который будет течь через транзисторы, даже когда входного сигнала нет (ведь нам же пришлось задать транзисторам некоторое смещение). Из-за этого они довольно сильно нагреваются, и значительная часть энергии от блока питания уходит в тепло, а КПД усилителя составляет в лучшем случае всего лишь около 20-30%.

Но поскольку автомобильные усилители на самом деле делаются не на одном транзисторе, а строятся по так называемым двухтактным схемам, т.е. с 2 транзисторами, то возникает одна заманчивая идея. Что, если не держать их постоянно приоткрытыми? Пусть они оба при отсутствии входного сигнала будут закрытыми? Поскольку транзисторы по отношению друг к другу обратные, то получится, что один из них будет открываться, когда сигнал положительный, а другой — когда сигнал отрицательный. Иными словами, получится, что первый будет усиливать положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную, на нагрузке же эти половинки благополучно сложатся. Когда усилитель работает в таком режиме, то говорят, что это класс В.
Решение, несомненно, хорошее, ведь через транзисторы в такой схеме не течет бесполезный ток, когда сигнала нет, а значит и КПД усилителя получается гораздо выше. Однако все бы замечательно, но дело в том, что какие бы мы хорошие и качественные транзисторы не поставили, у них все равно будет присутствовать нелинейность в самом начале их открытия. А это значит, что в тот момент, когда один транзистор только закрывается, а второй только открывается, неизбежно появится искажение в виде ступеньки.

Когда уровень сигнала высокий, эта ступенька не выглядит очень уж большой, и если особо не придираться, то на нее еще можно и не обращать особого внимания. А вот на небольших уровнях сигнала она будет уже слишком заметна. Поэтому класс В в чистом виде в автомобильных усилителях не используется из-за больших искажений.
Так какой же режим лучше всего выбрать для усилителя? В классе А — маленькие искажения, но и КПД низкий, львиная доля мощности блока питания уйдет в тепло (вот почему усилители, работающие в этом классе, греются как утюги). Класс В обеспечит хороший КПД, но искажения будут такими, что о высоком качестве воспроизведения особо говорить не придется. Компромиссное решение — это смешанный режим, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение, гораздо меньшее, чем в чистом классе А, но уже достаточное для того, чтобы избежать заметной ступеньки в выходном сигнале. При этом так и говорят — усилитель работает в классе АВ.

Выбирая рабочую точку транзисторов (ну или иными словами, выбирая насколько транзисторы будут приоткрыты в режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала), можно сделать усилитель класса АВ ближе к классу А или к В. Например, в первом случае наиболее заметен тот эффект, что до достижения определенной мощности усилитель работает в классе А, а на высоких уровнях как бы автоматически переходит в класс АВ — решение, довольно часто применяемое в усилителях высокого класса (иногда в описаниях к таким усилителям можно встретить обозначение их класса как Real АВ).
Справедливости ради, нужно отметить, что классы А, В и АВ не единственные. Есть и другие, которые можно назвать производными от них, они представляют собой попытки совместить экономичность АВ-класса с качеством А-класса. Например, класс А+ — симбиоз усилителей В-класса и А-класса (выход первого является средней точкой для второго). Или класс Super A (Non Switching) — в них специальная схема не дает транзисторам полностью запираться(ведь основные искажения, как вы уже знаете, как раз из-за нелинейности в самый начальный момент открытия транзисторов-„кранов"). А усилители класса G вообще представляют собой два каскада усиления, работающих каждый от своего источника питания разного напряжения (на небольшой мощности работает каскад, питающийся от источника с небольшим напряжением, а на пиках к нему подключается второй, питающийся от источника с большим напряжением). Впрочем, все это довольно сложные схемы, которые и в домашней то технике применяются все реже, а уж в автомобильных усилителях это, мягко говоря, и вовсе экзотика.
А вот усилители класса Н можно с уверенностью назвать чисто автомобильными. В этом классе делают усилители, встроенные в головное устройство. Понятное дело, в них нет никаких сложных блоков питания, преобразующих бортовые 12 Вольт в двухполярное питание с большим напряжением (впрочем, встроенный в ГУ усилитель все равно питается отдвухполярного напряжения, просто за среднюю точку для него принимается Uпит/2, то есть, условно говоря, 6 Вольт), поэтому мощность таких усилителей невелика. Класс Н — это попытка в какой-то мере нивелировать основной недостаток маломощных усилителей — зажатость звучания. Так как же он работает?
На самом деле, усилитель класса Н — это практически то же самое, что и обычный усилитель класса АВ. Только в нем есть так называемая схема удвоения напряжения питания, основной элемент которой — конденсатор, накапливающий заряд, когда входной сигнал не очень большой. Ну а поскольку реальный музыкальный сигнал — это вам не синус, на котором по стандарту измеряется мощность, то для него характерны кратковременные пики. Так вот, как раз в моменты таких пиков этот самый конденсатор специальной схемой добавляется последовательно к питающему напряжению, и оно как бы кратковременно удваивается, помогая усилителю воспроизвести эти пики с меньшими искажениями. Это, на самом деле, не особо сказывается на мощности усилителя, измеренной стандартно на синусоидальном сигнале, но на средних и высоких частотах звучание субъективно становится лучше.

КСТАТИ
Класс усилителя в первом приближении можно распознать по характеру зависимости КНИ от мощности. Смотрите, на малых уровнях сигнала класс А обеспечивает самые маленькие искажения. А вот класс В за счет „ступеньки" в сигнале на малых уровнях непременно будет иметь повышенные искажения (так называемая проблема первого Ватта). Класс АВ где-то между ними.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА D
Классы А, В, АВ и прочие их производные — это все традиционные классы аналоговых усилителей, принципы построения у них схожие, разве что режимы работы транзисторов выбираются разные, да добавляются кое-какие примочки. Но есть и усилители, которые строятся изначально несколько иначе. Это импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится). Давайте в общих чертах разберем, как работает усилитель D-класса.

Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть. Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается.
Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной.

Основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).

В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

 

 

Усилители. Классификация усилителей

Усилители в каталоге

 

Классификация усилителей

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

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

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

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

Класс А

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

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

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

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

Характеристики Pass Labs XA 200.5 Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность 200 Вт 25Вт
Коэффициент гармонических искажений 1% (400Вт) не указывается
Диапазон воспроизводимых частот 1.5 – 100000 Гц 20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность 700 Вт 500 Вт
Масса 81 кг 25 кг


Представитель усилителей класса А

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

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

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

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

Класс АВ

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

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.


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


Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

 

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:
Характеристики A B AB
Теоретический КПД 50% 78% Зависит от режима
Реальный КПД 15-30% 50-60% 40-50%
Нелинейные искажения малые Высокие средние)
Потребляемая мощность постоянная зависит от выходной зависит от выходной
Термостабильность низкая высокая средняя



Представитель усилителей класса АВ

Класс H

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

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

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

Класс D

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


Блок схема цифрового усилителя

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

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


График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

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

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

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

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

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

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


Представитель усилителей класса D

«холод» ламп без трансформатора, DIY-компиляции, десятилетия мучений с классом «Д» / Pult.ru corporate blog / Habr

Как я и обещал, мы продолжим цикл о легендарных усилителях прошлого и настоящего. На этот раз мы опишем непростую судьбу УМЗЧ класса D, оригинальные разработки в области ламповой схемотехники, не обойдём стороной и DIY-наборы для тех чьи руки выросли из туловища.
При создании материала я постарался отжать всё информационно ценное из шедевров аудиофильской журналистики, сухих технических описаний и публикаций таких товарищей, как Нил Гадер, Гарри Пирсон, Роберт Грин. Как и в предыдущем материале, я старался отыскать основные характеристики и принципиальные схемы этих устройств, а также цены (на момент производства), о которых нередко умалчивают современные авторы.

Futterman h4 OTL – нужно просто выбросить выходной трансформатор


Начнём по традиции с самой «тёплой» в ламповом отношении эпохи, с 50-х в США, где в губернском городе Нью-Йорке, изобретатель Юлиус Футтерман (Julius Futterman) разработал один из наиболее оригинальных ламповых усилителей своего времени. В 1954-м на свет появился ламповый УМЗЧ Futterman h4 OTL, особенностью которого стало отсутствие выходного трансформатора.
В оригинальной схемотехнике усилителя Футтермана катодный резистор фазоинвертора соединялся не с землей, а с выходом усилителя. 100%-ная ООС катодного повторителя Futterman h4 OTL компенсировалась 100%-ной ПОС через катодный резистор фазоинвертора. Интересно, что уникальную для того времени (и высоко оцененную потомками) схему разработал не профессиональный инженер, а радиолюбитель-самоучка.
Причиной необходимости в оригинальном решении было то, что около 30-35 % себестоимости ламповых усилителей тех лет приходилась на выходной трансформатор. Что было крайне существенным фактором, учитывая, что первые усилители производились вручную.
Благодаря конструкторскому решению цена усилителя стала немногим выше стоимости наборов для самостоятельной сборки и составила около $ 180 – 200, что сегодня с учетом инфляции является эквивалентом $ 1600 — 1800. Помимо существенного удешевления продукта инновация избавила УМЗЧ от (так любимой некоторыми аудиофилами и гитаристами) характерной «тёплой» окраски звука.
Следует отметить, что сравнительно небольшая стоимость усилителя соседствовала с почти уникальными для того времени характеристиками.

Судите сами:

  • Диапазон воспроизводимых частот: 7 Гц (!) до 55 кГц
  • RMS: 90 Вт
  • IMD: 0,1 % (1 Вт, 1 Ом)
  • Коэффициент гармоник: 0,1%
  • Выходное сопротивление: 0,6 Ом

Интересно, что идеальной акустической системой для работы с этим усилителем считались электростатические колонки Quad ESL 57, созданные в 1957 году.

Футтерман запатентовал устройство, а лицензии продал нескольким американским компаниям в 1961-м году. Лицензионные усилители по схеме Футермана производились до начала 70-х годов и стоили значительно дороже оригинала. На протяжении 60-х и 70-х изобретатель совершенствовал схемотехнику ламповых усилителей.

В 1984 году, уже после смерти Футермана, компанией New York Audio Labs был выпущен, разработанный при его участии, один из самых дорогих усилителей своего времени (для электростатических акустических систем), стоявший $12 000 (около $26 000 сегодня с учетом инфляции). Среди сравнительно свежих разработок, использующих наследие Футтермана, можно выделить оригинальное устройство итальянца Андреа Циуффоли (схема приведена ниже).


Heathkit amps — DIY для меломана и музыканта


Heathkit — одни из передовиков ламповых конструкторов для любителей канифольной дымки. Компания, основанная в 40-е, приобрела популярность в 60-е, на волне интереса к самостоятельной сборке устройств. Фактически все продукты компании стали культовыми в среде людей увлеченных DIY. В отличие от Dynaco, Heathkit создавали многоцелевые конструкторы, с различными наборами шасси и радиодеталей.
Комплекты и модели менялись достаточно часто, что также существенно рознит эти устройства с «макинтошем для бедных». Пик популярности наборов Heathkit приходится на середину 60-х, когда приобретение качественного усилителя предполагало затраты сравнимые со стоимостью среднего автомобиля.
Все деревянные детали (набор ручек, шасси и т.п.) входили в базовую комплектацию. Гитарные варианты heathkit иногда предполагали включение дополнительных бонусов: излучателей и деталей корпуса для создания комбо. Интересно, что для создания гитарных наборов компания активно применяла транзисторные схемы. Такой подход был не слишком популярен в 60-х (теплый ламповый тренд в гитарном усилении был силён), но позволял приобрести дешевое гитарное оборудование небогатым начинающим музыкантам.
В зависимости от назначения устройства, пользователь волен был выбрать тот или иной комплект. Например, были наборы для гитарного усиления, воспроизведения музыки, в том или ином наборе разнилась мощность УМЗЧ. Характеристики устройства приводить смысла не имеет, так как они разнятся в зависимости от конкретной модели, при этом подавляющее большинство авторов сходятся на том, что эти усилители вполне соответствовали HI-fi классу, а гитарные комбо Heathkit составляли конкуренцию аналогичным моделям Fender и VOX того периода.

Класс D: КПД vs искажения


Легендарными в среде инженеров считаются усилители класса D, попытки создать которые начались ещё в 50-х. Сама идея УМЗЧ с импульсным управлением, выходными лампами приписывается 2-м авторам, нашему соотечественнику Дмитрию Васильевичу Агееву (1951 год) и Алеку Ривзу из Соединенного Королевства (1951 год). Однако, говорить о том, что инновационные концепции смелых инженеров мгновенно стали широко востребованными на рынке не приходится.
Д.В. Агеев

Внезапно начавшаяся эра транзисторов для попыток создания годного УМЗЧ class D не привела к ожидаемым результатам. «Принцип неисчерпаемых возможностей КПД», заложенный советским инженером Агеевым и его британским коллегой, долгое время оказывался неприступным даже для специалистов таких компаний как SONY, PHILIPS, Marantz, Matsusita Electric. Вплоть до 80-х ничего прилично звучащего и коммерчески успешного в классе D создать не удавалось. Ситуация поменялась к середине 80-х, когда на рынке радиодеталей появились МДП-транзисторы.

Известно, что в режиме D импульс приобретает почти прямоугольную форму, так как транзистор либо заперт, либо открыт. А сопротивление открытого канала современных силовых МПД-транзисторов совсем небольшое (от единиц до десятков миллиОм). Благодаря этому, построенный на основании этих элементов усилитель класса D способен работать практически без потерь мощности. КПД таких усилителей класса D составляет около 90 — 95 %.


Не смотря на ограниченную популярность, усилители D-класса того времени тоже нельзя назвать сверхмассовым продуктом. Для потребителя концепция класса D успела утратить привлекательность к концу 80-х, главным образом в связи с неудачами их несовершенных предшественников.

Как повествует Википедия, основными проблемами усилителей класса D были и, в какой-то степени, остаются:

…но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя…

Пожалуй, самым заметным представителем класса D стал один из первых цифровых усилителей, дотягивающих до показателей HI-FI — Tripath TA2020, серийное производство которого было запущено в 1999 году. Дело в том, что, в связи с неизбежной необходимостью в устранении искажений, принцип аналоговой модуляции оказался малопривлекательным.
В ранних проектах усилителей класса D низкочастотные помехи свободно проходили с питающих шин на выход, что вынуждало использовать нелинейную модуляцию и дельта-сигма модуляцию для их устранения. Последнее приводило к неизбежному росту частоты переключения и снижению КПД. Логичным выходом стало применение цифровых схем, уменьшавших частоту переключения.

Некоторые инженеры ставят под сомнение заявленные характеристики Tripath TA2020 и их соответствие стандартам HI-FI. Предлагаю читателям самим оценить показатели качества на примере 20-ти ваттного усилителя для авто, созданного на базе TA2020:
  • RMS: 2 х 20 Вт 4ohm, 2x12 Вт 8ohm
  • Соотношение сигнал-шум (SNR): 98дб
  • Динамический диапазон: 98дб
  • IMD: 0.1% 1 Вт, 4ohm
  • THD: 0.03% 9 Вт, 4ohm, 0.1% — 10 Вт ом, 0.1% — 6 Вт 8ohm, 10% — 23 Вт ом, 10% 13 — Вт 8ohm
  • Энергоэффективность: 81% 20 Вт, ом, 88% 12 Вт, 8ohm
  • Чувствительность входа: 200mV

И всё это счастье при цене от $20 до 60.

Микросхема, на основе которой создан усилитель, была внесена в список «25 микросхем, которые потрясли мир» по версии журнала IEEE Spectrum.


Компания Tripath, выпустившая инновационный усилитель, с целью привлечения внимания к продукту придумала даже новый класс, объявив свое устройство усилителем класса T (хотя принцип работы девайса соответствовал классу D).
Несмотря на маркетинговые усилия,«креативы» с классификацией, Tripath не выдержали конкуренции с более мощными игроками и исчезли с рынка в 2007-м году. Бесславный и тихий конец этой компании никак не умаляет заслуг разработчиков, которые создали, вероятно, единственный действительно легендарный усилитель класса D.

To be continued


Собственно, на этом пока всё, искренне надеюсь, что вам понравилось. В этом цикле планируем ещё 2 материала. Анонсирую моголамповых хайэнд монстров, современные гибридные разработки, и, возможно, сказку об идеальном усилителе.

Классы усилителей мощности | ldsound.ru

Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т.п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).

Первая буквенная классификация, действующая по сей день (режимы А, B и С), сформировалась в 1920-е годы и была дополнена режимом, или классом, D в 1955 году. Начавшийся в 1960-е годы выпуск высокочастотных силовых транзисторов сделал возможным построение экономичных транзисторных усилителей радиочастот классов E и F. Последовательное усовершенствование транзисторных усилителей мощности звуковых частот класса B привело к разработке усилителей классов G и H. Единого реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква (например, S) может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот. Буква, широко используемая в одной области электроники (класс F с его производными F1, F2, F3 и т. д.), в другой области может считаться «свободной». Кроме того, есть «классы усилителей» — торговые марки компаний-производителей и стоящие за ними частные технические решения. Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие известны только по рекламе производителей.

 

Традиционная классификация: класс А, B, С и D

 

В 1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис, опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работы были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось. В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.

Одна и та же схема двухтактного усилителя может работать в режимах А, АB, B и C. Режим задаётся выбором напряжения смещения на сетках (Vс):

 

Формулировки стандарта IRE были составлены в терминах выбора управляющих напряжений на сетке лампы, обеспечивающего непрерывное (А) или прерывающееся (B и C) протекание анодного тока. В других отраслях электроники сложились иные, эквивалентные формулировки. Конструкторы радиоприёмных устройств оперировали понятием угла проводимости гармонического сигнала, а конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока — выбором рабочей точки на передаточной (анодно-сеточной) или выходной (вольт-амперной) характеристике лампы.

В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада («режимом А называют такой режим работы усилительного элемента…»), понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).

 

Режим усилителей класса А

 

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360º.

 

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М.А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы». При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя. В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим.

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20%, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УМЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

 

Режимы усилителей класса B и AB

 

В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину. Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение боольшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.

 

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5%, реального транзисторного каскада — примерно 72%. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки Pмакс(Rн). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 Pмакс(Rн), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46% от Pмакс(Rн), а КПД каскада уменьшается до 40%. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться.

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B, всегда устанавливается небольшой, но не нулевой ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5-15% от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10-100 мА на каждый транзистор. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при боольших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.

В современной литературе нет единого мнения о классификации таких двухтактных транзисторных каскадов. По мнению Джона Линдси Худа и Боба Корделла, их следует рассматривать как режим AB. По мнению Г С. Цыкина, Дугласа Селфа и А.А. Данилова это режим B. С их точки зрения, полноценный режим AB начинается при существенно боольших токах покоя (и сопровождается неприемлемо большим уровнем переходных искажений).

 

Режим усилителей класса C

 

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°). В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы. Предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5%, а перенапряжённого — 100%. Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД.

 

В англоязычной литературе и недонапряжённый, и перенапряжённый режимы относят к «классическому», или «настоящему», режиму С (англ. classic Class C, true Class C). Современные усилители мощности радиочастот обычно работают в ином, «смешанном» режиме С (англ. mixed-mode Class C), который иногда выделяется в особый «режим СD». В течение одного периода транзистор такого усилителя последовательно проходит через четыре фазы — отсечки, нарастания коллекторного тока, насыщения и снижения тока, причём длительность активных фаз (нарастания и снижения тока) сопоставима с длительностью фаз отсечки и насыщения.

 

Режим усилителей класса D

 

Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951) и Алеком Ривзом (Великобритания). В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику. В 1964 году в Великобритании выпустили первые транзисторные УМЗЧ класса D, не имевшие коммерческого успеха, в 1974 и 1978 столь же безуспешные попытки предприняли Infinity и Sony. Массовый выпуск усилителей этого класса стал возможен только после отладки производства силовых МДП-транзисторов, состоявшейся в первой половине 80-х годов.

 

Структурная схема усилителя класса D без петли обратной связи

 

В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами мОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90%, в наиболее экономичных образцах 95%, при этом он мало зависит от выходной мощности. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.

Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения, но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя. В отличие от традиционных усилителей, в той или иной мере подавляющих нестабильность питающих напряжений, в усилителях класса D низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его по амплитуде. Чтобы снизить эти искажения, конструкторы перешли от синхронной ШИМ к асинхронной модуляции с переменной частотой следования импульсов и к сигма-дельта-модуляции (способ модуляции, обеспечивающий оцифровку сигнала с заданными характеристиками в рабочей полосе частот). Неизбежным следствием этого стал рост частоты переключения выходных транзисторов до десятков МГц и снижение КПД из-за роста потерь при переключении. Для того чтобы снизить эти потери, конструкторы применили простейшие цифровые схемы, уменьшавшие частоту переключения (например, преобразовывавшие последовательность управляющих импульсов 01010101…, соответствующую нулевому входному напряжению, в 0011…, 00001111… и так далее). Естественным развитием этого подхода стал полный отказ от аналоговой модуляции и переход к чисто цифровой обработке входных сигналов, а побочным следствием — разрастание номенклатуры однобуквенных «классов усиления».

В 1998 году основанная Адья Трипати компания Tripath выпустила полностью цифровой интегральный УМЗЧ класса D с заявленными показателями качества, приближавшимися к показателям «обычных» усилителей высокой верности. Новые микросхемы пошли в продажу под вывеской «класса Т» и получили в целом положительные отзывы прессы и радиолюбителей. Усилитель Tripath TA2020 вошёл в список «25 микросхем, которые потрясли мир» журнала IEEE Spectrum, а сама компания прекратила существование в 2007 году, не выдержав конкуренции с крупными производителями. За «классом T» последовали «класс J» компании Crown International, «класс TD» компании Lab.gruppen, «класс Z» компании Zetex и радиочастотный «класс M» компании PWRF. Обозреватель журнала EDN Пол Рейко заметил, что «cочинение новых ”классов усилителей” — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компании больше вреда, чем пользы … хотите новый класс усиления — купите Allen-Bradley (производитель ракеты Tomahawk) и изобретите заново класс AB».

 

Эволюция усилителей звуковой частоты: классы G, H, …

 

Класс G c переключением

 

Следящий класс G и класс Н

 

Гибридный класс D («класс TD»)

 

Гибридный класс D

 

Максимальная мощность усилителя звуковой частоты, определяемая в том числе напряжением его питания, бывает востребована относительно редко. Боольшую часть времени усилитель воспроизводит сигналы относительно небольшой амплитуды. В усилителях классов B или AB это сопровождается высокими абсолютными потерями энергии при малом КПД (10—40%). Чтобы уменьшить потери и повысить КПД, следует снизить напряжение питания — но усилитель с низким напряжением питания окажется неспособным воспроизводить редкие пиковые фрагменты входного сигнала. Решение этой дилеммы предложил в 1964 году инженер НАСА Мануэль Крамер. По идее Крамера, усилитель класса B или AB следовало питать от источника напряжения с двумя или тремя комплектами шин питания. При воспроизведении сигналов малой амплитуды выходной каскад подключен к шинам с низким напряжением питания, а с ростом уровня сигнала он переключается на питание от шин с высоким напряжением.

Серийный выпуск таких УМЗЧ начала в 1977 году компания Hitachi. Новинка получила маркетинговый ярлык «класса G», который прижился в японской и британской литературе и стал признанным дополнением традиционной классификации усилителей. Японские усилители класса G спросом не пользовались, а аналогичная конструкция Боба Карвера, выпущенная в 1981 году, прижилась на американском рынке профессионального оборудования. Придуманное Карвером название «класс H» закрепилось в американской литературе, и некогда универсальная классификация распалась на региональные ниши — «американскую» и «англо-японскую». С течением времени американские авторы вернулись к «англо-японским» обозначением — именно их используют, например, Деннис Бонн (2012) и Боб Корделл (2011). Современное понятие «класса G» объединяет два подхода к переключению шин питания — ступенчатое и плавное переключение, и два подхода к схемотехнике выходного каскада — последовательное включение («внутренний» каскад собственно УМЗЧ вложен во «внешний» каскад управления шинами питания) и параллельное (два выходных каскада, «низковольтный» и «высоковольтный», подключены к нагрузке в параллель).

Следующим этапом развития экономичных усилителей стал «европейский» класс H — усилители с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на верхней (для положительной полуволны) или нижней (для отрицательной полуволны) шине питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания. В более сложном варианте, применяемом в микросхемах автомобильных УМЗЧ, применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтодобавки до требуемых значений. За классом Н последовали разнообразные схемы гибридов усилителей классов B и D. В этих конструкциях «грязный» усилитель класса D формирует напряжение на шинах питания «чистого» усилителя в классе B или AB (реже — класса H), подключенного к нагрузке. Варианты таких усилителей получили названия «гибридного класса D», «класса TD» или «следящего класса D», «класса A/H», «класса К» (от Корея) и т.п. «Класс BD», напротив, не является гибридным — это всего лишь ранний вариант класса D с синхронной ШИМ.

 

Эволюция радиочастотных усилителей: классы E, F, …

 

Схемотехника радиочастотных усилителей развивается в двух основных направлениях: повышение рабочей (несущей) частоты сигнала и повышение коэффициента полезного действия в уже освоенных частотных диапазонах. В 1985 году транзисторные усилители, работающие на относительно низких частотах, достигли КПД в 95-98%, а уже на частоте в 30 МГц КПД снижался до 80%. К 2000 году то же значение КПД в 80% стало нормой для диапазона 900 МГц. На этих частотах задержка переключения транзистора становится сопоставимой с периодом несущей частоты, и грань между ключевыми режимами и режимами управляемого источника тока стирается. При этом не существует ни единой теории, описывающей процессы в сверхвысокочастотных мощных каскадах, ни единого метода анализа и оптимизации таких каскадов — даже давно известного каскада в смешанном режиме С.

В 1975 году попытку такого анализа провели отец и сын Натан и Алан Сокал. Взяв за основу хорошо известный ключевой каскад, они поставили задачу минимизации потерь во время переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Сокал сформулировали принцип работы экономичного усилителя мощности, названного ими «классом E». При выключении транзистора ток через него должен уменьшится до нуля до того, как начнёт нарастать коллекторное напряжение, а при включении — напряжение на коллекторе должно упасть до нуля до того, как начнёт нарастать ток. Сочетание высокого напряжения и большого тока недопустимы. Таким образом, утверждал Натан Сокал, возможно снизить потери с 35% до 15% потребляемой мощности даже на частотах, на которых задержка включения транзистора составляет 30% периода несущей частоты.

Альтернативный подход к снижению потерь — спектральное (гармоническое) разделение токов и напряжений в выходном каскаде. Нагрузка такого усилителя состоит из нескольких резонансных контуров, настроенных на пропускание чётных гармоник несущей частоты и на подавление нечётных гармоник. В идеале форма тока такого каскада содержит, помимо несущей частоты, только её чётные гармоники, а форма напряжения на коллекторе или стоке мощного транзистора — только нечётные. В реальных усилителях используется два или три контура, поэтому формы токов и напряжений существенно отличаются от идеальных. Усилители такого рода обычно выделяются в особый класс F, но в литературе также встречаются термины «экономичный класс С», «оптимальный класс С», «мультирезонансный класс С», HRA (англ. harmonic reactance amlifier), HCA (англ. harmonic control amplifier) и даже «класс Е» (в смысле, отличном от класса Е по Сокалу). В зависимости от конфигурации контуров и выбора подавляемых и пропускаемых гармоник внутри класса F выделяют подклассы F1, F2, F3, F-1 («обратный», или «инверсный», F) и т.п.

Еще одна статья по классам усиления

Усилители класса А

Лучший интегральный усилитель

Лучший интегральный усилительЛучший интегральный усилитель SOULNOTE A1 с собственной дискретной схемой без обратной связи оснащен недавно разработанным высокоскоростным дискретным источником питания без обратной связи, специально подобранными выходными транзисторами, трактом прямой связи, заземлением звездой, то есть с одной точкой заземления.

Статья полностью: → Лучший интегральный усилитель Soulnote A1

Усилители класса А

Усилитель А класса

Усилитель А классаУсилитель А класса — Gold Note предлагает полную линейку аудио для создания первоклассных стереосистем, от аналогового или цифрового источника до громкоговорителей. Продукты Gold Note характеризуются элегантным дизайном, инновационными технологиями и итальянскими традициями.

Статья полностью: → Усилитель А класса

Усилители класса А

Усилитель Audio

Усилитель AudioУсилитель Audio Aegir от компании Schiit. Превосходство класса A — наш первый усилитель для колонок, основанный на технологии Continuity, которую мы опробовали в усилителе Lyr 3 для наушников. Строго говоря, технология Continuity позволяет избавиться от снижения передаточной характеристики за пределами диапазона смещения.

Статья полностью: → Усилитель Audio Aegir

Усилители класса А

Работа усилителя класса А

Работа усилителя класса АРабота усилителя класса А. Что такое усиление класса А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал. Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Статья полностью: → Работа усилителя класса А

Усилители класса А

Усилитель SPL Phonitor

Усилитель SPL PhonitorМощный усилитель звука MOON 860A представляет собой симметричную дифференциально-монофоническую конструкцию, которая легко выводит 200 Вт на 8 Ом и 400 Вт на 4 Ом. Прозрачность и звуковая сцена исключительные, несмотря на высокую мощность усилителя. 860A способен работать с любым громкоговорителем с полной отдачей своего звукового потенциала независимо от его нагрузки.

Ознакомиться со всем текстом поста: → Мощный усилитель звука MOON

Усилители класса А

Схема усилителяСхема усилителяСхема усилителя — данный транзисторный усилитель звука класса AB, имеет неплохие технические характеристики: максимальная выходная мощность на нагрузке 4Ом составляет 150Вт. Это простой, надежный и не привередливый аппарат. Схема достаточно качественная, даже более качественная, чем качество среднестатистического усилителя.

Схема усилителя →

Усилители класса А

Усилитель Vincent SV-234 — интегрированный полный усилитель, разработанный и собранный по принципу «Full Balance». Стереоусилитель VINCENT SV-234Стереоусилитель VINCENT SV-234Очень высококачественная предварительная часть, работающая на операционных усилителях OPA 2134 и OPA 2604 от Burr-Brown. 16 выходных транзисторов MOS FET oт Toshiba. Блок питания с двумя тороидальными трансформаторами мощностью по 500 Вт и ёмкостями 60.000 mF на каждый канал.
Стереоусилитель VINCENT SV-234 →

Усилители класса А

Вы можете использовать совместно с усилителем Rhinelander практически любые динамические наушники, доступные на рынке. Усилитель для наушников Lehmannaudio RhinelanderУсилитель для наушников Lehmannaudio RhinelanderОн разработан и изготовлен в Германии с использованием высококачественных компонентов, чтобы дарить вам наслаждение от музыки многие годы. Использование наушников позволяет достичь высокого качества звучания при низкой стоимости, по сравнению с высококачественными акустическими системами и необходимой аппаратурой.

Усилитель для наушников Lehmannaudio Rhinelander →

Усилители класса А

Усилитель мощности Plinius Hautonga-1Усилитель мощности Plinius Hautonga-1

Усилитель мощности Plinius Hautonga — это полный универсальный стереоусилитель мощности высшего модельного ряда High End, разработанный известной новозеландской компанией Plinius.

Усилитель мощности Plinius Hautonga →

Усилители класса А

Audeze The King представляет собой гибридный усилитель для наушников, Усилитель мощности для наушниковУсилитель мощности для наушниковкоторый был разработан инженерами компании в сотрудничестве с известным конструктором Баскомом Кингом. «Король» обладает полностью балансным звуковым трактом. У него имеется два небалансных разъема для подключения наушников.

Усилитель мощности для наушников →

Усилители класса А

Author:

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о