Підсилювач звукових частот – це загальний термін, використовуваний для опису схеми, яка виробляє і збільшує версію свого вхідного сигналу. Однак не всі технології перетворювачів однакові, оскільки вони класифікуються відповідно до їх конфігураціями та режимами роботи.
В електроніці зазвичай використовуються невеликі підсилювачі, оскільки вони здатні збільшувати відносно невеликий вхідний сигнал, наприклад датчика, такого як плеєр, вихідний набагато більшого розміру для управління реле, лампою або гучномовцем і т. п.
Існує багато форм електронних схем, класифікованих як підсилювачі, від операційних і датчиків малого сигналу до великих перетворювачів імпульсу і потужності. Класифікація пристрою залежить від розміру сигналу, великого чи малого, його фізичної конфігурації і способу обробки вхідного потоку, тобто відносини між вхідним рівнем і струмом, що протікає в навантаженні.
Анатомія пристрої
Підсилювачі звукових частот можна розглядати як просту коробку або блок, що містить пристрій, таке як біполярний, польовий транзистор або операційний датчик, який має два вхідних і два вихідних клеми (заземлення є загальним). Причому вихідний сигнал набагато більше через перетворення його на пристрої.
Ідеальний підсилювач сигналу буде мати три основних властивості:
Незалежно від того, наскільки складна схема підсилювача, загальна модель блоку може бути використана для демонстрації взаємозв’язку цих трьох властивостей.
Загальні поняття
Високоякісні підсилювачі звукової частоти можуть відрізнятися за своїми характеристиками. Кожен тип має цифрове або аналогове перетворення. Для їх поділу встановлюються кодові позначення.
Збільшена різниця між вхідним і вихідним сигналами називається перетворенням. Посилення – це міра того, наскільки підсилювач «перетворює» вхідний сигнал. Наприклад, якщо є вхідний рівень на 1 вольт і вихідний на 50 вольт, то перетворення дорівнює 50. Іншими словами, вхідний сигнал був розвинений в 50 разів. Підсилювач звукових частот якраз виконує це завдання.
Розрахунок перетворення – це просто ставлення виходу, поділена на вхід. Ця система не має одиниць вимірювання в якості свого відношення, але в електроніці для посилення зазвичай використовується символ A. Потім перетворення розраховується просто як «вихідний, поділений на вхідний сигнал».
Перетворювачі потужності
Збільшувач малого сигналу зазвичай називають підсилювачем «напруги», тому що він, як правило, перетворює невелику вхідна в набагато більшу вихідну напругу. Іноді для управління двигуном або харчуванням гучномовця потрібна схема пристрою, а для додатків такого типу, де задіяні високі струми перемикання, потрібні перетворювачі потужності.
Як випливає з назви, основна задача підсилювача потужності (також відомого як великий підсилювач сигналу) полягає в тому, щоб подавати потужність на навантаження. Це твір напруги і струму, прикладеного до навантаження з потужністю вихідного, що перевищує рівень вхідного сигналу. Іншими словами, перетворювач збільшує потужність динаміка, тому схеми блоків такого типу використовуються на зовнішніх каскадах аудиопреобразователей для управління гучномовцями.
Принцип дії
Підсилювач звукових частот працює за принципом перетворення сили постійного струму, що споживається від джерела живлення, в сигнал напруги змінного струму, що подається на навантаження. Хоча перетворення є високим, ефективність його від джерела живлення постійного струму до вихідного сигналу напруги змінного зазвичай є низькою.
Ідеальний блок дає пристрою коефіцієнт корисної дії у 100% або, принаймні, потужність IN буде дорівнює потужності OUT.
Класовий поділ
Якщо користувачі хоча б раз дивилися в специфікацію підсилювачів потужності звукової частоти, вони могли помітити класи устаткування, зазвичай позначаються літерою або двома. Найбільш поширені типи блоків, які використовуються сьогодні в домашньому споживчому аудіо, – це значення A, A/B, D, G і H.
Ці класи являють собою не прості системи класифікації, а опису топології підсилювача, тобто як вони функціонують на рівні ядра. У той час як кожен тип підсилювачів має свій набір сильних і слабких сторін, їх робота (і те, як оцінюються кінцеві характеристики) залишається незмінною.
Вона полягає в тому, щоб перетворити форму хвилі, посилаємо попередніми блоком без внесення перешкод або, принаймні, як можна меншого спотворення.
Клас А
Порівняно з іншими класами підсилювачів потужності звукової частоти, які будуть описані нижче, моделі класу A є відносно простими пристроями. Визначальним принципом роботи є те, що всі вихідні блоки перетворювачів повинні проходити через повний 360-градусний цикл сигналу.
Клас A також можна розділити на одноконечные і двотактні підсилювачі. Push/pull відрізняється від основного пояснення вище, використовуючи пристрої виводу в парах. У той час як обидва пристрої проводять повний 360-градусний цикл, один пристрій буде нести більшу частину навантаження протягом позитивній частині циклу, а інше – більше негативного циклу.
Основною перевагою цієї схеми є зменшене спотворення порівняно з одноконечными конструкціями, оскільки парні коливання порядку виключаються. Крім того, двотактні конструкції класу А менш чутливі до шуму.
З-за позитивних якостей, пов’язаних з роботою класу A, він вважається золотим стандартом якості звуку в багатьох сферах виробництва акустики. Однак у цих конструкцій є один важливий недолік – ефективність.
Вимога, що пред’являється до підсилювачів звукової частоти на транзисторах класу А, щоб всі вихідні пристрої працювали постійно. Така дія призводить до значних втрат енергії, яка в підсумку перетворюється в тепло. Це ще більше посилюється тим фактом, що конструкції класу A вимагають відносно високих рівнів струму спокою, який являє собою величину струму, що протікає через вихідні пристрої, коли підсилювач видає нульовий вихід. Показники ефективності в реальному світі можуть становити приблизно 15-35%, при цьому можливо використання однозначних цифр з використанням высокодинамичного вихідного матеріалу.
Клас B
У той час як всі механізми виведення в підсилювачі звукової частоти на транзисторах класу A при роботі займають 100% часу, в блоках класу B використовується двотактна схема таким чином, що тільки половина пристроїв виводу проводить струм у будь-який час.
Одна половина покриває +180-градусну частина форми хвилі, в той час як інша покриває переріз -180 градусів. Як наслідок, підсилювачі класу B значно більш ефективні, ніж їх аналоги класу A, з теоретичним максимумом 78,5%. Враховуючи відносно високу ефективність, клас B використовувався в деяких професійних перетворювачах звукопідсилення, а також у деяких домашніх лампових підсилювачах. Незважаючи на їх очевидну силу, шанси придбати для дому блок класу В практично дорівнюють нулю. Дослідження підсилювача звукової частоти показало причину цього, відому як спотворення кросовера.
Проблема із затримкою в передачі обслуговування між пристроями, обробними позитивні і негативні частині форми сигналу, вважається значною. Само собою зрозуміло, що таке спотворення в достатніх кількостях чути, і хоча деякі конструкції класу B були краще, ніж інші в цьому відношенні, клас B не отримав особливого визнання від любителів чистого звучання.
Клас A/B
Ламповий підсилювач звукових частот можна зустріти на багатьох концертних майданчиках. Він відрізняється високою продуктивністю і при цьому не перегрівається. Крім цього, моделі коштують набагато дешевше багатьох цифрових блоків. Але є і відхилення. Такий модуль може працювати не з усіма аудиоформатами. Тому краще застосовувати устаткування в складі загального комплексу обробки сигналу.
Клас A/B поєднує в собі краще від кожного типу пристроїв, щоб створити блок без недоліків ні того, ні іншого. Завдяки цій комбінації переваг підсилювачі класу A/B значною мірою домінують на споживчому ринку.
Рішення насправді досить проста за своєю концепцією. Там, де в класі B використовується двотактне пристрій з кожною половиною вихідного каскаду, що проводить на 180 градусів, механізми класу A/B збільшують його до ~181-200 градусів. Таким чином, існує набагато менша ймовірність виникнення «розриву» у циклі, і, отже, спотворення кросовера опускається до такої міри, що воно не має значення.
Лампові підсилювачі потужності звукової частоти можуть значно швидше поглинати ці перешкоди. Завдяки такій властивості звук надходить з пристрою набагато чистіше. Моделі подібних характеристик часто використовуються для перетворення звучання акустичних та електрогітар.
Досить сказати, що клас A/B виконує свої обіцянки, легко перевершивши ефективність чистих конструкцій класу A з показниками порядку ~50-70%, достигаемыми в реальному світі. Фактичні рівні, звичайно ж, залежать від того, наскільки зміщений підсилювач, а також від програмного матеріалу та інших факторів. Варто також відзначити, що деякі розробки класу A/B роблять ще один крок вперед у своєму прагненні усунути спотворення кросовера, працюючи в чистому режимі класу A до декількох ватів потужності. Це дає деяку ефективність при роботі на низьких рівнях, але при цьому гарантує, що підсилювач не перетвориться в піч при подачі великої кількості енергії.
Класи G та H
Ще одна пара конструкцій, розроблених для підвищення ефективності. З технічної точки зору, ні підсилювачі класу G, ні класу H офіційно не визнані. Замість цього вони являють собою варіації на тему класу A/B, використовують перемикання напруги на шині і модуляцію шини відповідно. У будь-якому випадку в умовах низького попиту система використовує більш низька напруга на шині, ніж аналогічний підсилювач класу A/B, що значно знижує енергоспоживання. Коли виникають умови високої потужності, система динамічно збільшує напругу на шині (тобто переключається на шину високої напруги) для обробки перехідних процесів з великою амплітудою.
Недоліки є теж. Головний з них полягає у високій вартості. В оригінальних схем комутації мереж використовувалися біполярні транзистори для управління вихідними потоками, що підвищує складність і вартість. Високоякісні лампові підсилювачі звукової частоти цього типу поширені, хоч і ціна починається від 50 тисяч рублів. Блок вважається професійною технікою для роботи на сцені або проведення звукозапису в студії. Є проблеми з транзисторами. При тривалому навантаженні частина з них може виходити з ладу.
Сьогодні ціна часто зменшується до деякої міри при використанні потужнострумових МДН-транзисторів для вибору або зміни направляючих. Використання польових МДН-транзисторів не тільки підвищує ефективність і знижує нагрів, але і вимагає менше деталей (зазвичай один пристрій на потік). В доповнення до вартості комутації на шині, самої модуляції, також варто відзначити, що деякі підсилювачі класу G використовують більше вихідних пристроїв, ніж типова конструкція класу A/B.
Одна пара пристроїв буде працювати в типовому режимі A/B, харчуючись від низьковольтних шин. Між тим, інша знаходиться в резерві, щоб діяти як підсилювач напруги, що активується тільки в залежності від ситуації. Витримують високі навантаження тільки класи G і H, пов’язані з потужними підсилювачами, де підвищена ефективність виправдовує себе. Компактні конструкції можуть також використовувати топології класу G/ H на відміну від A/B, враховуючи, що можливість перемикання в режим низької потужності означає, що вони можуть обійтися з трохи меншим радіатором.
Клас D
Цей тип пристроїв дає можливість створювати свої модульні системи. За допомогою обладнання відбувається високоякісна обробка всього вихідного потоку. Проектування підсилювачів потужності звукової частоти дозволяє створити свою мультимедиасистему для роботи або розваг. Однак тут є свої нюанси. Часто помилково звані цифровим посиленням, перетворювачі класу D являють собою гарантію ефективності блоку і при цьому у реальних випробуваннях досягаються коефіцієнти, що перевищують 90 %.
Спочатку варто розібрати питання, чому це відноситься до класу D, якщо «цифрове посилення» є неправильним. Це була просто наступна буква в алфавіті, з класом C, використовуваним в аудіосистемах. Що ще більш важливо, як 90%+ ефективність може бути досягнута. У той час як всі раніше згадані класи підсилювачів мають одне або кілька вихідних пристроїв, які постійно активні, навіть коли перетворювач фактично перебуває в режимі очікування, блоки класу D швидко переводять їх у стан «вимкнено» і «увімкнено». Це досить зручно і дає можливість задіяти модуль лише в потрібні моменти.
Наприклад, розрахунок підсилювачів звукової частоти класу T, які є реалізацією класу D, розробленого Trіpath, на відміну від базового пристрою, використовують частоти перемикання близько 50 МГц. Вихідні пристрої зазвичай управляються широтно-імпульсною модуляцією. Це коли прямокутні хвилі різної ширини генеруються модулятором, який представляє аналоговий сигнал для відтворення. При строгому контролі пристроїв виводу таким способом теоретично можлива ефективність 100% (хоча, очевидно, вона недосяжна в реальному світі).
Заглибившись у світ підсилювачів звукової частоти класу D, можна також знайти згадку про аналогових і цифрових керованих модулях. Ці блоки з керуванням мають аналоговий вхідний сигнал і аналогову систему управління, зазвичай з деякою ступенем корекції помилок зворотного зв’язку. З іншого боку, підсилювачі класу D з цифровим перетворенням використовується цифрове управління, яке змінює ступінь потужності без контролю помилок. Це рішення також знаходить схвалення, згідно з відгуками багатьох покупців. Однак ціновий сегмент тут набагато вище.
Дослідження підсилювача звукової частоти показало, що аналогово-керований клас D має перевагу в продуктивності в порівнянні з цифровим аналогом, так як він зазвичай пропонує більш низький вихідний імпеданс (опір) і поліпшений профіль спотворень. Це підвищує вихідні значення системи при її максимальному навантаженні.
Параметри підсилювачів звукової частоти при цьому набагато вища, ніж у базових моделей. Варто розуміти, що подібні розрахунки потрібні тільки для створення музики в студії. Звичайним покупцям ці характеристики можна пропускати.
Зазвичай це L-ланцюг (індуктор і конденсатор), розміщена між підсилювачем і гучномовцями для зменшення шуму, пов’язаного з роботою класу D. Фільтр має велике значення. Поганий дизайн може поставити під загрозу ефективність, надійність і якість звуку. Крім того, зворотній зв’язок після вихідного фільтра має свої переваги. Хоча конструкції, які не використовують зворотний зв’язок на цьому етапі, можуть налаштовувати свій відгук на певний імпеданс, коли такі підсилювачі мають складну навантаження (тобто гучномовець, а не резистор), частотна характеристика може значно змінюватись в залежності від навантаження на динамік. Зворотній зв’язок стабілізує цю проблему, забезпечуючи плавне реагування на складні навантаження.
У кінцевому рахунку складність підсилювачів електричних звукових частот класу D має свої переваги. Ефективність і, як наслідок, меншу вагу. Оскільки відносно мало енергії витрачається на тепло, потрібно набагато менше витрат енергії. Таким чином, багато підсилювачі класу D використовуються в поєднанні з імпульсними джерелами живлення (SMPS). Як і вихідний каскад, сам джерело живлення можна швидко вмикати і вимикати для регулювання напруги, що приводить до подальшого підвищення ефективності та здатності знижувати вагу щодо традиційних аналогових/лінійних джерел харчування.
У сукупності навіть потужні підсилювачі класу D можуть важити всього кілька кілограмів. Недолік джерел живлення SMPS порівняно з традиційними лінійними джерелами полягає в тому, що перші зазвичай не мають великого динамічного запасу.
Випробування і численні тестування підсилювачів звукової частоти класу D з лінійними джерелами живлення в порівнянні з модулями SMPS показали, що це дійсно так. Коли два підсилювача обробляли номінальну потужність, але один з лінійним джерелом живлення міг створювати більш високі динамічні рівні потужності. Тим не менш, дизайн SMPS стає все більш поширеним явищем, і в магазинах можна очікувати побачити більш якісні блоки класу D наступного покоління, що використовують подібні форми.
Порівняння ефективності класів AB D
Хоча ефективність підсилювача потужності звукової частоти на транзисторах класу A/B підвищується в міру наближення до максимальної вихідної потужності, конструкції класу D підтримують високий коефіцієнт корисної дії більшості робочих діапазонів. В результаті ефективність і якість звучання все більше схиляється на користь останнього блоку.
Використання одного перетворювача
При правильній реалізації будь-якої з перерахованих вище блоків за межами класу B може сформувати основу підсилювача високої точності. Крім потенційних помилок продуктивності (які в першу чергу є наслідком проектних рішень, а не властивим класу), вибір типу блоку значною мірою є питанням вартості в порівнянні з ефективністю.
На сьогоднішньому ринку простий підсилювач звукової частоти класу A/B домінує, і на те є вагома причина. Він дуже добре працює, відносно дешевий, а його ефективність цілком адекватна для додатків з низьким енергоспоживанням (>200 Вт). Звичайно, оскільки виробники перетворювачів намагаються розширити межі поставки, наприклад, за допомогою моноблока Emotiva XPR-1 потужністю 1000 Вт, вони звертаються до конструкцій класу G/H і D, щоб уникнути подвійного використання їх підсилювачів у якості систем, здатних швидко нагріти техніку. Між тим в іншій стороні ринку є шанувальники класу А, які можуть пробачити недолік ефективності пристрою в надії на більш чистий звук.
Підсумок
Зрештою, класи перетворювачів необов’язково так важливі. Звичайно, є актуальні відмінності, особливо коли мова йде про вартості, ефективності підсилювача і, отже, у вазі. Безумовно, техніка класу А потужністю 500 Вт – погана ідея, якщо, звичайно, користувач не має потужну систему охолодження. З іншого боку, відмінності між класами не визначають якість звуку. Зрештою, це зводиться до розробки та реалізації власних проектів. Важливо розуміти, що споживачі – це тільки один пристрій, яке входить до складу аудіосистеми.
