Аудиочестотен усилвател: видове, класове и категоризация

Аудиочестотен усилвател е общ термин, използван за описание на верига, която произвежда и усилва версия на входния си сигнал. Въпреки това не всички предавателни технологии са еднакви, тъй като те се класифицират в зависимост от конфигурациите и режимите на работа.

Малките усилватели обикновено се използват в електрониката, тъй като могат да усилват сравнително малък входен сигнал, например от сензор като плейър, в много по-голям изходен сигнал за управление на реле, лампа или високоговорител и т.н. п.

Съществуват много форми на електронни схеми, класифицирани като усилватели, от операционни и преобразуватели на малки сигнали до големи импулсни и силови преобразуватели. Класификацията на устройството зависи от размера на сигнала - голям или малък, от физическата му конфигурация и от начина на обработка на входния поток, т.е. от връзката между входното ниво и тока, протичащ в товара.

Анатомия на устройството

Усилвателите на звукова честота могат да се разглеждат като обикновена кутия или блок, съдържащ устройство, например биполярен транзистор с полеви ефект или операционен усилвател, което има два входни и два изходни терминала (земята е обща). И изходът Сигналът е много по-голям поради преобразуването на сигнала в устройството.

Идеалният усилвател на сигнала има три основни свойства

1. Входно съпротивление или (R IN).
2. Изходно съпротивление или (R OUT).
3. Усилване, или (A).

Независимо колко сложна е схемата на един усилвател, може да се използва общ модел на устройството, за да се покаже връзката между тези три свойства.

Общи понятия

Висококачествените аудиочестотни усилватели могат да се различават по своите характеристики. Всеки тип има цифрово или аналогово преобразуване. Създадени са кодове за тяхното разграничаване.

Увеличената разлика между входния и изходния сигнал се нарича преобразуване на. Усилването е мярка за това доколко усилвателят "преобразува" входния сигнал. Например, ако има 1 волта входно ниво и 50 волта изходно ниво, преобразуването ще бъде 50. С други думи, входният сигнал е еволюирал 50 пъти. Аудиочестотният усилвател прави точно това.

Изчислението на преобразуването е просто съотношението между изходния и входния сигнал. Тази система няма мерна единица като съотношение, но в електрониката символът А обикновено се използва за усилване. След това преобразуването се изчислява просто като "изходният сигнал се раздели на входния".

Преобразуватели на енергия

Усилвател за малък сигнал обикновено се нарича усилвател на напрежение, защото има тенденция да преобразува малко входно напрежение в много по-голямо изходно напрежение. Понякога е необходимо дадена верига да задвижва двигател или да захранва високоговорител и за тези видове приложения, при които се използват високи токове на превключване, са необходими преобразуватели на мощност.

Както подсказва името, основната задача на усилвателя на мощност (известен също като като голям усилвател) е да подава енергия към товара. Това е произведението от напрежението и тока, приложени към товар с изходна мощност, по-голяма от нивото на входния сигнал. С други думи, преобразувателят увеличава мощността на високоговорителя, така че веригите от този тип се използват във външни аудиоконверторни стъпала за управление на високоговорители.

Принцип на работа

Честотният аудиоусилвател работи на принципа на преобразуване на постоянния ток, черпен от захранването, в сигнал за променливо напрежение, приложен към товара. Въпреки че преобразуването е високо, ефективността му от захранване с постоянен ток към изходно променливо напрежение обикновено е ниска.

Идеалният модул би имал коефициент на полезно действие 100 % или поне мощността IN би била равна на мощността OUT.

Разделяне на класове

Ако потребителите са разглеждали поне веднъж спецификацията на аудиоусилвател, може би са забелязали клас оборудване, който обикновено се обозначава с една или две букви. Най-често срещаните типовете устройства, използвани днес в домашното аудио, са A, A/B, D, G и H.

Тези класове не са обикновени системи за класификация, а по-скоро описания на топологията на усилвателя, т.е. как той функционира на ниво ядро. Макар че всеки тип усилвател има свои силни и слаби страни, действието им (и начинът, по който се оценява крайната производителност) остава едно и също.

Той се състои в преобразуване на формата на вълната, изпратена от предусилвателя, без да се внасят смущения или поне възможно най-малко изкривявания.

Клас А

В сравнение с другите класове аудиочестотни усилватели на мощност, които ще бъдат описани по-долу, моделите от клас А са сравнително прости устройства. Определяне принцип на работа е, че всички изходни модули на преобразувателя трябва да преминат през пълен цикъл от 360 градуса.

Усилвателите от клас А могат да бъдат разделени на усилватели с изтласкване и усилватели с избутване. Push/pull се различава от основното обяснение по-горе, като използва изходни устройства по двойки. Въпреки че и двете устройства извършват пълен цикъл от 360 градуса, едното устройство ще носи по-голямата част от товара по време на положителната част от цикъла, а другото устройство ще носи по-голямата част от отрицателния цикъл.

Основното предимство на тази схема е намаленото изкривяване в сравнение с еднопосочните конструкции, тъй като се елиминират осцилациите от четен ред. Освен това, конструкции push-pull Усилвателите от клас А са по-малко чувствителни към шума.

Поради положителните качества, свързани с работата на клас А, той се счита за златен стандарт за качество на звука в много области на производството на високоговорители. Тези конструкции обаче имат един основен недостатък - ефективността.

Изискването към транзисторните усилватели на аудиочестота от клас А е всички изходни устройства да работят непрекъснато. Това действие води до значителна загуба на енергия, която в крайна сметка се превръща в топлина. Това се усложнява от факта, че конструкциите от клас А изискват сравнително високи нива на тока на покой, което е количеството ток, протичащо през изходните устройства, когато усилвателят произвежда нулев изход. Ефективност в реалния свят може да бъде от порядъка на 15-35%, с възможност за едноцифрени числа при използване на високодинамичен изходен материал.

Клас В

Докато всички изходни механизми в транзисторен аудиоусилвател от клас А по време на работа отнемат 100 % от времето, устройствата от клас В използват схема push-pull, така че само половината от изходните устройства са подложени на ток във всеки един момент.

Едната половина покрива частта от формата на вълната от +180 градуса, а другата - частта от -180 градуса. В резултат на това усилвателите от клас В са значително по-ефективни от своите аналози от клас А, като теоретичният максимум е 78,5 %. Предвид сравнително високата си ефективност клас В се използва в някои професионални преобразуватели, както и в някои домашни лампови усилватели. Въпреки очевидната им сила, шансовете за закупуване на блок клас В за къща са почти нулеви. Изследване на аудиочестотен усилвател разкрива причината за това, известна като изкривяване на кросоувъра.

Проблемът със закъснението при прехвърлянето на услугата между устройствата, обработващи части от формата на вълната положителни и отрицателни частите на формата на вълната се считат за значителни. От само себе си се разбира, че такива изкривявания са чуваеми в достатъчни количества, и въпреки че някои конструкции от клас B са по-добри от други в това отношение, клас B не е получил голямо признание от любителите на чистия звук.

Клас A/B

На много места ще намерите лампов фоноусилвател. Има висока производителност без прегряване. Моделите са и много по-евтини от много цифрови устройства. Но има и отклонения. Възможно е да не работи с всички аудио формати. Затова е най-добре да използвате оборудването като част от цялостен пакет за обработка на сигнали.

Клас А/В съчетава най-доброто от всеки тип устройство, за да създаде устройство без недостатъците на нито едно от тях. Поради тази комбинация от предимства усилвателите клас А/В до голяма степен доминират на потребителския пазар.

Решението всъщност е доста просто по своята същност. Когато клас B използва конструкция с изтласкване, при която всяка половина на изходното стъпало провежда 180 градуса, при класовете A/B този показател се увеличава до ~181-200 градуса. По този начин вероятността от прекъсване на контура е много по-малка и съответно изкривяването на кросоувъра е намалено до степен, в която няма значение.

Ламповите усилватели на мощност могат да абсорбират тези смущения много по-бързо. Това свойство води до много по-чист звук от устройството. Модели с подобни характеристики често се използват за трансформиране на звука на акустични и електрически китари.

Достатъчно е да се каже, че клас А/В изпълнява обещанието си, като лесно надминава ефективността на чистите проекти от клас А, с цифри от порядъка на ~50-70%, постигнати в реалния свят. Действителните нива, разбира се, зависят от това, доколко предубеден е усилвателят, както и от материала на софтуера и други фактори. Струва си да се отбележи, че някои конструкции от клас А/В отиват още по-далеч в стремежа си да елиминират изкривяването на кросоувъра, като работят в режим на чист клас А с мощност до няколко вата. Това дава известна ефективност при ниски нива, но гарантира, че усилвателят няма да се превърне в пещ, когато му се подаде голяма мощност.

класове G и H

Още един чифт конструкции, предназначени за подобряване на ефективността. От техническа гледна точка нито усилвателите от клас G, нито от клас H са официално признати. Вместо това те са вариации на тема клас А/В, като използват съответно превключване на напрежението на шината и модулация на шината. Във всеки случай, при условия на ниско потребление, системата използва по-ниско напрежение на шината, отколкото сравним усилвател от клас А/В, което значително намалява консумацията на енергия. При възникване на условия на висока мощност системата динамично увеличава напрежението на шината (т.е. преминава към шина с високо напрежение), за да се справи с преходни процеси с висока амплитуда.

Има и недостатъци. Основната е високата цена. Първоначалните мрежови комутационни схеми използват биполярни транзистори за управление на изходните потоци, което увеличава сложността и цената. Висококачествени лампови аудиоусилватели от този тип са често срещани, въпреки че цената им започва от 50 000 рубли. Устройството се счита за професионална технология за работа на сцена или в звукозаписно студио. Съществуват проблеми с транзисторите. При продължително натоварване някои от тях могат да се повредят.

Днес цената често е намалена до известна степен чрез използването на MOSFET с голям ток за избор или промяна на. Използването на MOSFET не само подобрява ефективността и намалява топлината, но и изисква по-малко части (обикновено по една единица за поток). В допълнение към разходите за превключване на шината, самата модулация, заслужава да се отбележи, че някои усилватели от клас G използват повече изходни устройства от типичния дизайн от клас А/В.

Едната двойка устройства ще работи в типичен режим A/B, захранван от нисковолтови шини. В същото време другият се държи в резерв, за да действа като усилвател на напрежение, който се активира само в зависимост от ситуацията. Издържат само на високи натоварвания в класове G и H, свързани с мощни усилватели, където повишената ефективност е оправдана. Компактните конструкции могат да използват и топологии от клас G/H вместо A/B, тъй като възможността за превключване в режим на ниска мощност означава, че могат да се справят с малко по-малък радиатор.

Клас D

Този тип устройства ви позволяват да създадете своя собствена модулна система. Висококачествена обработка на целия изходен поток се извършва от оборудването. Проектирането на аудио усилватели на мощност ви позволява да създадете своя собствена мултимедийна система за работа или забавление. Съществуват обаче нюанси. Често погрешно наричани цифрово усилване, преобразувателите от клас D са гаранция за ефективност на устройството, като при реални тестове се постигат коефициенти над 90 %.

Първо си струва да се разбере защо е клас D, ако "цифровото усилване" е погрешно. Това беше просто следващата буква в азбуката, а клас С се използваше в аудиосистемите. По-важно е да се разбере как може да се постигне ефективност над 90%. Докато всички споменати по-горе класове усилватели имат едно или повече изходни устройства, които са постоянно активни, дори когато инверторът всъщност е в режим на готовност, устройствата от клас D бързо ги включват и изключват. Това е доста удобно и ви позволява да активирате модула само в правилните моменти.

Например при изчисляването на аудиочестотните усилватели от клас Т, които са реализация на клас D, разработен от Tripath, се използват честоти на превключване от порядъка на 50 MHz, за разлика от основното устройство. Изходните устройства обикновено се управляват чрез широчинно-импулсна модулация. Това се случва, когато Правоъгълни вълни с различна ширина се генерират от модулатор, който представя аналогов сигнал за възпроизвеждане. При стриктно управление на изходните устройства по този начин теоретично е възможно да се постигне 100% ефективност (макар че очевидно не е постижима в реалния свят).

При навлизането в света на аудиоусилвателите от клас D се споменават и аналогови и цифрови управляеми модули. Тези управлявани устройства имат аналогов входен сигнал и аналогова система за управление, обикновено с известна степен на корекция на грешките чрез обратна връзка. От друга страна, усилвателите от клас D използват цифрово управление, което превключва силовото стъпало без контрол на грешките. Това решение също среща одобрение според отзивите на много клиенти. Ценовият сегмент обаче е много по-висок.

Проучването на аудиочестотния усилвател показва, че аналогово управляваният клас D има предимство в работата пред цифровия аналог, тъй като обикновено предлага по-нисък изходен импеданс (съпротивление) и подобрен профил на изкривяванията. Той повишава началните стойности на системата, когато тя е с максимален капацитет.

Работата на аудиочестотните усилватели е много по-добра от тази на основните модели. Струва си да осъзнаете, че подобни изчисления са необходими само за производството на музика в студиото. За обикновения потребител тези спецификации могат да бъдат пренебрегнати.

Обикновено L-верига (индуктор и кондензатор), поставена между усилвателя и високоговорителите, за да се намали шумът, свързан с работата на клас D. Филтърът прави голяма разлика. Лошият дизайн може да компрометира ефективността, надеждността и качеството на звука. Освен това обратната връзка след изходния филтър има предимства. Въпреки че конструкциите, които не използват обратна връзка на този етап, могат да настроят своята характеристика към определен импеданс, когато такива усилватели имат сложен товар (т.е. високоговорител, а не резистор), честотната характеристика може да варира значително в зависимост от товара на високоговорителя. Обратната връзка стабилизира този проблем, като осигурява плавна реакция на сложни товари.

В крайна сметка сложността на електрическите аудиоусилватели от клас D има своите предимства. Ефективност и следователно по-малко тегло. Тъй като относително малко енергия се губи за топлина, е необходима много по-малко енергия. Поради това много усилватели от клас D се използват в комбинация с импулсни захранващи устройства (SMPS). Подобно на изходното стъпало, самото захранване може да се включва и изключва бързо, за да се регулира напрежението, което води до допълнително повишаване на ефективността и намаляване на теглото в сравнение с традиционните аналогови/линейни захранвания.

Заедно дори мощните усилватели от клас D могат да тежат само няколко килограма. Недостатък на захранванията SMPS в сравнение с традиционните линейни източници е, че първите обикновено имат малък динамичен резерв.

Тестовете и многобройните изпитания на усилватели от клас D с линейни захранващи устройства в сравнение с устройствата SMPS показват, че това наистина е така. Когато два усилвателя работят с номинална мощност, но единият с линейно захранване е в състояние да произведе по-високи нива на динамична мощност. Въпреки това дизайнът на SMPS става все по-разпространен и можете да очаквате в магазините да се появят по-качествени устройства от следващо поколение от клас D, използващи подобни форми.

Сравнение на ефективността на клас AB и клас D

Въпреки че ефективността на транзисторния аудиочестотен усилвател от клас А/В се увеличава с приближаването към максималната изходна мощност, конструкциите от клас D поддържат висока ефективност в повечето работни диапазони. В резултат на това ефективността и качеството на звука все повече се изместват в полза на последното устройство.

Използване на един преобразувател

При правилно изпълнение всеки от горните блокове извън клас В може да бъде основа на висококачествен усилвател. В допълнение към потенциалните грешки в работата (които са предимно последица от решенията за проектиране, а не от присъщия клас), изборът на типа на устройството до голяма степен е въпрос на съотношение между цена и ефективност.

На днешния пазар доминира обикновеният аудиочестотен усилвател от клас А/В, а за има основателна причина. Той се представя много добре, сравнително евтин е и ефективността му е напълно достатъчна за приложения с ниска консумация на енергия (>200W). Разбира се, тъй като производителите на трансдюсери се опитват да разширят границите на предлагането, например с моноблока Emotiva XPR-1 1000 W, те се обръщат към дизайна на класове G/H и D, за да избегнат двойната игра на своите усилватели като системи, които могат бързо да загреят оборудването. В същото време от другата страна на пазара има фенове на клас А, които могат да простят липсата на ефективност на устройството с надеждата за по-чист звук.

Долна линия

В крайна сметка класовете на преобразувателите не са непременно толкова важни. Разбира се, съществуват валидни разлики, особено що се отнася до цената, ефективността на усилвателя и съответно теглото. Разбира се, усилвател клас А с мощност 500 вата не е добра идея, освен ако потребителят не разполага с мощна охладителна система. От друга страна, разликите между класовете не определят качеството на звука. В крайна сметка е необходимо да разработите и реализирате собствени проекти. Важно е да се разбере, че преобразувателите са само едно от устройствата, които са част от аудиосистемата.