Что такое классы усилителей мощности?

Классы усилителей A, B, C, D и другие

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификации усилителя или смотрели обзоры аудио техники, вы могли заметить термин "класс усилителя". Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенные классы усилителей, используемые в настоящее время в бытовой аудиотехнике - это классы A, A / B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами оценки, а описывают топологию усилителя, т.е. режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы) на базовом уровне. В то время как каждый класс усилителей имеет свой собственный набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивается конечная производительность) остается прежней: усилить форму волны, отправляемую на него предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере с минимальными искажениями . Так что же означает этот алфавитный набор классов усилителей?

Весьма вероятно, что принцип работы классов окажется сложным для понимания, поэтому самое главное что нужно запомнить это:

1. Класс А практически не используется в современных аудио устройствах. Исключение составляют лишь экзотические Hi-End усилители. Главный минус класса А это низкая эффективность (КПД не более 25%). Такой усилитель потребляет много энергии, выделяет еще больше тепла но выдает мало мощности. Преимущество класса А это высокая точность воспроизведения и низкие искажения.
2. Класс B не используется в домашних аудио устройствах.
3. Класс AB самый распространенный на сегодня класс среди усилителей мощности. Большинство AV-ресиверов для домашних кинотеатров и стереоусилителей относятся к классу AB.
4. Класс D становится все лучше и лучше. Если вам интересен принцип его работы, мы покажем его ниже. Самое главное, что нужно знать, усилители класса D обладают очень высокой эффективностью (90%) и компактными размерами. Сегодня усилители этого класса все чаще используются в домашнем аудио и повсеместно в профессиональной аппаратуре и портативных устройствах. И класс D не означает цифровой, это была просто следующая буква в алфавите, потому что класс C, как и класс B не используется в аудио устройствах.
5. Классы G,H официально не признаны и представляют собой вариации на тему класса A / B.

Вступление

Усилитель мощности звука предназначен для управления громкоговорителями. Для этого ему необходимо подавать большое количество вольт и большой ток на нагрузку с низким сопротивлением в широком диапазоне частот, от ниже 20 Гц до, возможно, 40-50 кГц, без слышимых искажений.

Для усилителя с номинальным среднеквадратичным значением 100 Вт, выдающего синусоидальную волну, пиковое выходное напряжение должно превышать +/- 40 В для резистивной нагрузки 8 Ом и пикового тока +/- 5 А. На практике может потребоваться гораздо больший ток, чтобы управлять настоящими громкоговорителями, импеданс которых на некоторых частотах значительно ниже 8 Ом; в приведенном выше примере типичным требованием будет +/- 8 ампер. Чтобы управлять сегодняшними нагрузками 4-8 Ом при 100 Вт, это значение следует увеличить до +/- 12 ампер или более.

В реальной жизни питание должно быть ближе к +/- 50 В, а не к теоретическому минимуму +/- 40 В, чтобы учесть внутрисхемные потери.
Такие высокие мощности означают, что большое количество тепла обычно рассеивается в самом усилителе, особенно в выходном каскаде. Это дорого, потому что требует физически больших массивов выходных транзисторов, массивных радиаторов и силового трансформатора подходящего номинала.

Таким образом, эффективность имеет значение, потому что более эффективные усилители генерируют меньше отходящего тепла и экономят как деньги, так и потребление энергии. Как мы увидим, различные классы усилителей, показанные ниже, сильно различаются по своей эффективности, сложности, стоимости и точности воспроизведения. Разработчики усилителей стараются найти лучший из них для требований рынка. 

Класс А

Самые простые усилители звука - несимметричные и класса А; то есть они используют только один выходной транзистор, который всегда является проводящим, независимо от формы выходного сигнала. Класс A имеет линейность от хорошей до превосходной (и, следовательно, высокую точность воспроизведения / низкие искажения), но очень низкий КПД. Он почти никогда не используется в выходных каскадах усилителя мощности, но идеально подходит для входных каскадов и каскадов высокого уровня усилителя мощности.
На потребительском рынке есть несколько примеров двухтактных усилителей класса А (Krell, Sugden и т. д.). В них используются пары дополнительных (противоположных полярностей) выходных транзисторов, которые при низких уровнях сигнала пропускают весь ток, необходимый для управления подключенным громкоговорителем на полной номинальной мощности. Для приведенного выше примера 100 Вт / 8 Ом будет означать, что транзисторы выходного каскада будут смещены на 2,5 А. При напряжении питания не менее +/- 40 В выходные каскады рассеивают 200 Вт при отсутствии вывода на громкоговоритель - и это только для одного канала!

Из-за положительных качеств, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих кругах аудиофилов. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток: эффективность. Требование к конструкциям класса А иметь все выходные устройства всегда проводящими приводит к значительным потерям энергии, которая в конечном итоге преобразуется в тепло. Это еще больше усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель производит нулевой выходной сигнал. Реальные показатели эффективности класса A могут составлять порядка 15-35% с потенциалом падения до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В двухтактных усилителях класса B каждый выходной транзистор проводит только половину (180 градусов) формы сигнала. Когда нет сигнала, ни один из транзисторов не проводит ток - полная противоположность усилителю класса А. Верхний транзистор NPN пропускает только положительные части сигнала, оставляя нижний транзистор PNP выключенным. И наоборот, нижний транзистор проводит только отрицательные части сигнала, оставляя верхний транзистор выключенным. Усилители класса B намного более эффективны, чем усилители класса A, но они имеют высокие искажения из-за сильной нелинейности в области перехода, где два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Эта форма искажения, называемая кроссоверным искажением, чрезвычайно неприятна для слуха, и поэтому ни в одной конструкции коммерческого усилителя не используется чистый класс B.

Класс AB

Комбинация класса A и класса B, усилитель класса AB имеет гораздо более высокий КПД, чем класс A, но гораздо меньше искажений, чем класс B. Это достигается за счет смещения точки перехода обоих транзисторов - точка. где усилители класса B вносят существенную нелинейность. Затем они переходят в класс B для больших сигнальных токов. Для любой данной конструкции усилителя будет оптимальный ток смещения, который минимизирует (но не устраняет полностью) кроссоверные искажения. Типичный ток смещения составляет 50 мА; таким образом, рассеиваемая мощность в нашем выходном каскаде мощностью 100 Вт составляет 80 В x 50 мА = 4 Вт, что составляет всего 2% от приведенного выше примера класса A. Большинство коммерческих усилителей мощности относятся к классу AB.

На практике ток смещения может отклоняться от оптимума со временем, температурой и уровнем сигнала, и это увеличивает остаточные искажения кроссовера. Было вложено много изобретательности в попытки улучшить это с переменным успехом. Один хороший подход состоит в том, чтобы выключать непроводящий транзистор намного медленнее, чем в обычных конструкциях, используя сочетание положительной и отрицательной обратной связи в выходном каскаде, чтобы он мог работать почти в классе A с выходной мощностью около 10 Вт. 
Легко понять, почему такие конструкции ограничены относительно низкой максимальной мощностью (20–50 Вт (среднекв.) На канал), перегреваются и являются чрезвычайно дорогими.

Класс D

В усилителях класса D используется другой метод, при котором выходные транзисторы (обычно полевые МОП-транзисторы) быстро включаются и выключаются с гораздо большей частотой, чем самый высокий звуковой сигнал, который необходимо воспроизвести. Звуковой сигнал используется для модуляции или изменения соотношения времени включения и выключения сигналов - отсюда и альтернативное название для класса D, класс широтно-импульсной модуляции или ШИМ. Среднее значение этого выходного сигнала после фильтрации нижних частот соответствует фактической требуемой форме звукового сигнала. Обратите внимание, что это по-прежнему аналоговый усилитель - термин цифровой усилитель часто используется для обозначения класса D, но это просто неверно.

Преимуществом класса D является его высокий КПД (80-90%), поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы. Его энергопотребление в режиме покоя сопоставимо с усилителем класса AB. К недостаткам относятся необходимость в дорогих выходных фильтрах, а также некоторая степень электромагнитного излучения / помех от усилителя и кабелей громкоговорителей из-за высоких частот переключения. В целом его качество звука не такое хорошее, как у приличного усилителя класса AB, хотя для лучших представителей класса D этот разрыв сокращается.

Углубляясь в мир класса D, вы также найдете упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи. С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют сгенерированное цифровым способом управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что те, у которых есть контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП впереди ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они обычно предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть небольшая проблема выходного фильтра: обычно это LC-цепь (катушка индуктивности и конденсатор), размещенная между усилителем и динамиками, чтобы уменьшить шум, связанный с работой класса D. Фильтр имеет большое значение: некачественный дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, которые не используют обратную связь на этом этапе отклик может быть настроен на конкретный импеданс, когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от того какую нагрузку на громкоговоритель он видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.

В конечном счете, сложность класса D имеет свои плюсы: эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется в виде тепла, требуется гораздо меньший отвод тепла. Более того, многие усилители класса D используются вместе с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и возможности снижения веса по сравнению с традиционными аналоговыми / линейными источниками питания. Даже очень мощные усилители класса D могут весить всего несколько килограммов. Недостатком источников питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это верно, когда два усилителя мощности с сопоставимым номиналом оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог обеспечивать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, конструкции SMPS становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны. Эти термины относятся к классам усилителей, в которых в интересах более высокого КПД, чем у класса AB, напряжения питания выходного каскада меняются в зависимости от уровня сигнала. Это связано с тем, что отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде музыки довольно велико - обычно 3 к 1 - поэтому полное напряжение источника питания требуется редко. Если вышеупомянутый выходной каскад мощностью 100 Вт обычно работает только при, скажем, +/- 20 В, а не +/- 40 В (теоретическое минимальное значение), то при воспроизведении музыки он будет в среднем намного холоднее. Конечно, сейчас необходимы дополнительные источники питания, но эти затраты могут быть в значительной степени компенсированы меньшим тепловыделением (и меньшими размерами) всей системы.

Термины G и H часто путают - здесь мы используем термин класс G для обозначения усилителей, у которых есть две (или более) пары шин питания, доступных для выходных транзисторов. Они могут переключаться жестко при заданном уровне сигнала или мягко, при этом более высокие шины, представленные на выходном каскаде, модулируются в соответствии с уровнем выходного сигнала. Это соответствует форме выходного сигнала вверх и вниз, чтобы поддерживать небольшое постоянное напряжение около 5 В на выходных транзисторах при высоких уровнях сигнала. 
Усилители класса H используют только один источник питания для выходных каскадов, который можно изменять либо дискретно, либо непрерывно. Он требует более сложной схемы для прогнозирования и управления напряжением питания и отлично подходит для компактных усилителей очень большой мощности, используемых в профессиональных туровых акустических системах (PA).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах переключения шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость. В наши дни это часто сокращается за счет использования сильноточных полевых МОП-транзисторов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей. Помимо стоимости самой коммутации шины / модуляции шины, также стоит отметить, что в некоторых усилителях класса G используется больше устройств вывода, чем в типичной конструкции класса A / B. Одна пара устройств будет работать в обычном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем, другая пара остается в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, и активируется только по мере необходимости. В конце дня, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность делает это целесообразным. Компактные конструкции также могут использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкого энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором. 

Один усилитель на все случаи жизни?

При правильной реализации любая из вышеперечисленных схем, помимо чистого класса B, может стать основой высококачественного усилителя. Неубедительно? Тогда давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждой схемы:

Помимо потенциальных проблем с производительностью (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущи классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости или эффективности. На сегодняшнем рынке преобладает класс A / B, и по уважительной причине: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для устройств с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы мощности с помощью таких усилителей, как 1000-ваттный моноблок Emotiva XPR-1, они обращаются к конструкциям класса G / H и класса D, чтобы их усилители не использовались в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса A, которые могут простить недостаток эффективности в надежде на более чистый звук.

Резюме

В конце концов, классы усилителей не так важны, как некоторые могут подумать. Да, есть важные различия, особенно когда дело касается стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, веса. Безусловно, усилитель класса A мощностью 500 Вт - плохая идея, если только вы не собираетесь использовать его в качестве духовки. С другой стороны, различия между классами на самом деле не определяют качество звука. В итоге все сводится к проектированию и реализации конечного продукта.