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).

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

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

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.

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.

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!