30 мая 2020      354    

Классы усилителей

Классы усилителей

Усилители классов A, B, C, D – что это такое и в чем разница? Давайте разбираться с классами усилителей мощности, а по ходу дела – с их сильными и слабыми сторонами, чтобы при выборе усилителя вы могли понимать, что же всё-таки берете.

Классификация типов усилителей посредством букв A, B, C восходит к 20-м годам прошлого века. С появлением новых решений в построении усилителей она дополнялась: например, в 1955 году появились первые усилители класса D (так называемые цифровые усилители, о которых в конце статьи мы поговорим отдельно).

Не все решения, которые разрабатывались и обозначались различными буквами (а общей для всех классификации, так и не получилось) стали одинаково популярны, и не все применяются в усилителях звука, поэтому ограничимся описанием классов A, B, C, D. Порой же, в силу сказанного выше, вы можете встретить и другие обозначения.

В целом же классы A, B, и C относятся к аналоговым усилителям, а класс D – цифровой. При этом в аналоговых усилителях  в одном схемном решении могут сочетаться (и, как правило, сочетаются) каскады разных классов. Таким образом, говоря про аналоговые усилители, более корректно говорить не о классе самого аппарата, а о классе каждого каскада усиления отдельно. Сделав такое вступление, давайте разбираться, чем же отличаются классы аналоговых усилителей.

Усилитель класса A

В усилительном тракте этого класса усиливаемый сигнал при прохождении каскада усиления не прерывается. Дальше мы увидим, что во всех других аналоговых классах это прерывание так или иначе есть (например, в классе B одна полуволна сигнала проходит через один каскад, другая через другой). Таким образом, между двумя полуволнами сигнала будет стык – прерывание. Здесь-то и могут (при неточной стыковке возникать искажения сигнала).

Весь сигнал в таком каскаде усиливается в одном «плече» на самом линейном участке вольтамперной характеристики

Вернемся к классу A. Весь сигнал в таком каскаде усиливается в одном «плече» на самом линейном участке вольтамперной характеристики, что дает максимальную точность сигнала на выходе. Здесь пора ввести понятие «угол отсечки» (его суть станет понятна чуть ниже). Можно сказать, что в усилителе класса A он равен 360 градусов, то есть, угла отсечки нет. Ведь прерывания сигнала не происходит.

Из сказанного понятно, что класс A самый линейный и обеспечивает наиболее точную передачу сигнала. А вот расплачиваться за такую линейность приходиться низким КПД. КПД 30% для класса A – практически предел. Тем не менее, за высокое качество такие усилители популярны среди любителей качественного звука.

Усилитель класса B

Сигнал делится на две полуволны, и каждая усиливается отдельно

Выше мы уже сказали о сути усилительного каскада класса B: сигнал делится на две полуволны, и каждая усиливается отдельно (это так называемая двухтактная схема). Понятно, что сигнал, полученный от каждого каскада, нужно состыковать с его второй половиной. Поскольку это так, то угол отсечки сигнала здесь будет 180 градусов – две полуволны, а на их стыке (при не очень точном совмещении) вполне может возникнуть ступенька. Это и есть основная проблема таких каскадов усиления. Особенно заметны такие искажения при малых уровнях сигнала. Зато КПД таких усилителей может превышать 70 %.

Усилитель класса АB

Угол отсечки сигнала здесь будет 180 градусов – две полуволны, а на их стыке (при не очень точном совмещении) вполне может возникнуть ступенька

Задуман как попытка, получения плюсов обоих классов. Так как мы уже знаем, что такое угол отсечки, работу класса AB можно объяснить теперь через это понятие: этот угол в данном случае будет больше 180, но меньше 360 градусов. Искажения при таком компромиссном решении получаются существенно меньше, чем в усилителях класса B.

Здесь стоит ввести еще одно понятие – ток покоя. При работе усилителя задается некоторый постоянный ток, протекающий через оконечный каскад при нулевом входном сигнале. Ток покоя, по  сути, разделяет сигнал на равные либо неравные полуволны. У класса A ток покоя самый большой, у класса B он минимален, у класса AB имеет среднее значение. Ток покоя определяет, каким образом делится сигнал, и, конечно, связан с углом отсечки. Правильный выбор тока покоя минимизирует возникновение «ступеньки» искажений.

Работу класса AB можно объяснить теперь через это понятие: этот угол в данном случае будет больше 180, но меньше 360 градусов

Это основные типы аналоговых усилителей, и, пожалуй, тот минимум, который нужно знать, чтобы ориентироваться в их классах при выборе аппарата, отвечающего вашим запросам. Все эти варианты могут быть выполнены как на лампах, так и на транзисторах. Иногда встречаются некоторые экзотические классы, например, класс H, который создавался специально для автозвука, или также специфический класс C. Но мы ограничимся здесь основными вариантами. Теперь перейдем к самому интересному.

Усилитель класса D

Класс D часто называют цифровым, что не совсем верно, хотя некоторые элементы, присущие цифровым решениям, в нем используются. Самое интересное, что первые усилители, работающие по данной схеме, были предложены еще в 1951 году Дмитрием Агеевым (еще ламповый вариант). Алекс Ривз и Роже Шарбонье чуть позже (в 1955 г.) применили подобное решение. Однако в те годы это были скорее эксперименты, и добиться качественного звучания разработчикам не удалось. Дело в том, что для полноценной реализации идеи нужны были транзисторы высокого быстродействия (МДП-транзисторы), которые появились только в 80-х годах прошлого столетия.

От истории перейдем к принципу работы усилителя класса D. С цифровыми схемами его роднит применение модулированных сигналов, однако модуляция, которая используется в усилителях класса D, является широтно-импульсной. Что это значит?

Давайте рассмотрим ШИМ (широтно-импульсную модуляцию), сравнивая ее с амплитудной. Думаю, получится наглядно. При амплитудной модуляции генератор обеспечивает несущие импульсы определенной частоты, а огибающий сигнал задает их уровень по амплитуде. Получается, что несущая частота заполняет огибающую. Пожалуй, это понятный пример.

В ШИМ все происходит по-другому: здесь постоянной величиной является амплитуда импульса, а переменной – его время (ширина). Именно шириной импульса, кодируется уровень сигнала на выходе. Таким образом, усиливающий транзистор работает в «тепличных условиях» (при одинаковой амплитуде импульса и в режиме ключа – да – нет).  Посмотрите на блок-схему усилителя класса D. Думаю, принцип его работы станет понятен.

Посмотрите на блок-схему усилителя класса D. Думаю, принцип его работы станет понятен

Применением такого подхода и МДП-транзисторов достигается высокий КПД (более 90%) и минимизация искажений. От транзистора здесь требуется только одно – высокое быстродействие. К остальным характеристикам серьезных требований нет. Именно тот факт, что усиливающему элементу не приходится работать в широком диапазоне частот и амплитуд, позволяет получить действительно уникальные характеристики усиления минимальными средствами.

Но ведь не бывает же так, чтобы у некоторого решения были одни плюсы? Должны быть и минусы. Да, конечно же, они есть. Так, высокочастотный генератор в составе усиливающего блока может давать некоторые помехи на выходной сигнал (тут разработчикам приходится применять соответствующие фильтры).

Кроме того, класс D оказывается чувствителен к качеству блока питания. Это происходит как раз в силу его высокого КПД. Легкие импульсные блоки для него не всегда подойдут. Применение же традиционных схем на тяжелых тороидальных трансформаторах, да еще и с запасом по мощности, – недешевое решение.

К счастью, в России богатые запасы железных и медных руд, и отечественные поставщики такие трансформаторы могут предложить нам по весьма человечным ценам. И в этом у нас есть преимущество!

© 2020 CanoraSound · Копирование материалов сайта без разрешения запрещено
Политика конфиденциальности I Публичная оферта I Sitemap