Классы усилителей звука

Принцип работы

В далеком 1916 году шведский ученый Эрнст Александерсон, работавший в американской компании General Electric, получил патент на схему усилителя, которая известна всему миру как класс А. Принцип действия усилителя класса А предельно прост, а для создания усилителя такого типа достаточно одного транзистора или одной лампы. Для того, чтобы понять, как он работает, рассмотрим более классическое решение: лампу.

Непосредственно в процессе усиления звукового сигнала в радиолампе участвуют три конструктивных элемента: анод, катод и сетка. При подаче питания в схему между катодом и анодом возникает поток электронов, а сетка, располагающаяся между ними, выполняет роль регулирующего клапана.

При наличии на сетке электрического потенциала она препятствует свободному прохождению электронов, и, чем выше электрический потенциал на сетке, тем меньше электронов проходит от катода к аноду вплоть до полного закрытия лампы. Таким образом, включив полезную нагрузку (акустическую систему) между катодом и анодом и подав сигнал на управляющую сетку, мы получаем простейшую схему усилителя мощности.

Специфика усилителя, работающего с аудиосигналом, состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной составляющими, равными по амплитуде.

При подаче такого сигнала на вход усилителя произойдет следующее: в момент прохождения положительной полуволны лампа будет открываться и закрываться так, что сигнал на выходе будет повторять форму звуковой волны на входе. Но в тот момент, когда на вход поступит отрицательная часть полуволны, сетка уже будет полностью заперта, и вместо воспроизведения звука на выходе усилителя мы получим тишину.

Несмотря на то, что в статье мы говорим преимущественно о ламповом классе А, транзисторы так же способны работать соответствующим образом, и на картинке выше вы видите стандартную схему

Для того, чтобы дать лампе возможность воспроизводить обе половины сигнала, Эрнст Александерсон организовал смещение нулевой точки входящего сигнала относительно нулевой точки (полностью закрытого состояния) лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. Таким образом, среднее положение звуковой волны соответствовало полуоткрытому состоянию лампы.

В момент прохождения положительной полуволны входящего сигнала лампа открывалась еще сильнее, а при воспроизведении отрицательной полуволны закрывалась, но частично, не доходя до минимальной отметки.

Другие распространенные классы усилителей

• Усилитель класса D — это нелинейный импульсный усилитель или ШИМ-усилитель. Усилители класса D теоретически могут достигать 100% эффективности, так как в течение цикла не существует периода, когда формы напряжения и тока перекрываются, так как ток подается только через включенный транзистор.
• Усилитель класса F повышают как эффективность, так и выходную мощность благодаря использованию гармонических резонаторов в выходной сети для преобразования формы выходного сигнала в прямоугольную волну. Усилители класса F способны обеспечить высокую эффективность более 90%, если используется бесконечная гармоническая настройка.
• Усилитель класса G предлагает усовершенствования конструкции усилителя базового класса AB. Класс G использует несколько шин питания различных напряжений и автоматически переключается между этими линиями питания при изменении входного сигнала. Такое постоянное переключение снижает среднее энергопотребление и, следовательно, потери мощности, вызванные потерей тепла.
• Усилитель класса I имеет два набора дополнительных выходных переключающих устройств, расположенных в параллельной двухтактной конфигурации, причем оба набора переключающих устройств дискретизируют один и тот же входной сигнал. Одно устройство переключает положительную половину сигнала, а другое переключает отрицательную половину, как усилитель класса B. При отсутствии входного сигнала или когда сигнал достигает точки пересечения нуля, переключающие устройства включаются и выключаются одновременно с рабочим циклом ШИМ 50%, что отменяет любые высокочастотные сигналы. Для получения положительной половины выходного сигнала выходной сигнал положительного переключающего устройства увеличивается в рабочем цикле, тогда как отрицательное переключающее устройство уменьшается на то же самое, и наоборот. Считается, что два токовых сигнала переключения чередуются на выходе, давая усилителю класса I имя: «чередующийся ШИМ-усилитель», работающий на частотах переключения более 250 кГц.
• Усилитель класса S — это усилитель нелинейного режима переключения, аналогичный по своему действию усилителю класса D. Усилитель класса S преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с помощью дельта-сигма-модулятора и усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность, прежде чем окончательно демодулировать с помощью полосового фильтра. Поскольку цифровой сигнал этого переключающего усилителя всегда либо полностью включен, либо выключен (теоретически нулевое рассеивание мощности), возможны коэффициенты полезного действия, достигающие 100%.
• Усилитель класса T — это еще один тип цифрового усилителя с коммутацией. Усилители класса T в наши дни становятся все более популярными в качестве конструкции усилителя звука из-за наличия микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и многоканальных усилителей объемного звука, поскольку он преобразует аналоговые сигналы в сигналы с цифровой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для усиление, увеличивающее эффективность усилителей. Конструкции усилителей класса T сочетают в себе уровни сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB и коэффициент полезного действия усилителя класса D.

Мы видели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Как определить?

Для начала остановимся на том, как в принципе функционирует усилитель. Наверняка вы будете удивлены, но по факту заводской усилитель ничего не усиливает. По сути, механизм его работы напоминает работу самого простого крана: вы крутите ручку и вода из водопровода начинает литься, сильнее или слабее, а если ее закрутить — то поток будет перекрыт. В усилителях все процессы происходят таким же образом. От мощного модуля питания ток проходит сквозь подключенный к устройству динамик. В данном случае функцию крана берут на себя транзисторы — на выходе степенью их закрытия и открытия управляет сигнал, который проходит на усилитель. От того, как именно этот кран функционирует, то есть как действуют выходные транзисторы, и определяется класс усилителей.

Если мы говорим об устройствах АВ, то в них транзисторы могут иметь неприятное свойство открываться и закрываться непропорционально поступающим на них сигналам. Таким образом, их работа становится неизменной. Возвращаясь к аналогии с краном — вы можете поворачивать ручку краника, но вода сперва будет течь слабо, а затем вдруг поток внезапно усилится.

По этой причине транзисторы категории АВ приходится удерживать в приоткрытом состоянии даже в том случае, если сигнал отсутствует. Это необходимо для того, чтобы они начали работать сразу же, а не выжидали, пока сигнал дойдет до определённого уровня – только в этом случае усилитель сможет воспроизводить звук с минимальными искажениями. На практике это означает, что некоторая часть полезной энергии расходуется вхолостую. Только представьте, что вы откроете все водопроводные краны в квартире, и из них беспрерывно будет вытекать небольшая струйка воды. Как следствие, эффективность таких моделей не превышает 50-70%, именно низкий КПД и является главным минусом усилителей АВ класса.

Если говорить об устройствах D-класса, то принцип работы у них абсолютно такой же: они имеют свои выходные транзисторы, способные закрываться и открываться. Тем самым регулируется прохождение тока сквозь подведенные к ним динамики, вот только управляет их открытием уже сигнал, по своей конфигурации весьма далекий от входящего.

Именно так подается сигнал на выходные транзисторы устройств D-класса. В данном случае функционировать они станут совсем иначе: либо в полном объеме закрываться, либо открываться без каких-либо промежуточных значений. Это означает, что КПД таких моделей может быть приближен к 100%.

Конечно, передавать подобные сигналы на аудиосистемы рано, сперва ему следует вернуть стандартную конфигурацию. Это можно сделать посредством выходного дросселя, а также конденсатора — после их обработки на выходе формируется усиленный сигнал, который по своей форме полностью повторяет входящий. Именно он и передается на динамики.

Основное преимущество устройств D-класса – это повышенный КПД и, соответственно, более щадящее расходование энергии

Долгое время было принято считать, что для подключения качественных акустических установок оптимальным решением станут усилители АВ. Модели категории D давали преобразование поступающего сигнала в импульсный с пониженной частотой, в итоге он давал хорошее звучание только в сабвуферном режиме. В наши дни технологии сделали большой шаг вперед, и сегодня появились уже быстродействующие транзисторы, которые могут открываться, а также и закрываться почти моментально, в магазинах представлено довольно много широкополосных устройств D-класса.

Эти модели предназначены на применение не только с сабвуферами, но также и с современными акустическими системами любых типов. Для тех вариантов, когда высокой мощности не требуется, имеет смысл приобрести довольно компактный усилитель.

Таким образом, если для подключения АС у вас достаточно площади, то вы вполне можете подобрать модель АВ-класса. За несколько десятилетий существования схемотехника этих моделей хорошо отработана, они дают довольно хорошее качество звучания, а в случае их поломки вы можете без проблем отремонтировать их в ближайшем сервисном центре.

Если участок для звуковой инсталляции ограничен, то стоит присмотреться к широкополосным моделям группы D. При тех же мощностных параметрах, что и изделия АВ-класса, они гораздо меньше и легче, притом меньше греются, и некоторые модели позволяют даже устанавливать их скрытно с наименьшими вмешательствами.

Для подключения сабвуферов максимальное преимущество у установок D-класса, так как темброблок басов представляет собой наиболее энергозатратный частотный диапазон — в данном случае КПД изделия имеют принципиальное значение, а в этом конкурентов изделиям D класса попросту нет.

В данном видео вы сможете нагляднее ознакомиться с классами усилителей звука.

Легендарный оконечник First Watt F5 Nelson Pass класс А — принципиальные схемы усилителя

Принципиальные схемы усилителя Нельсона Пасс — в этой публикации представлен легендарный, несложный двухкаскадный, двухтактный усилитель мощности класса А — First Watt F5 от Nelson Pass. Нельсон Пасс широко известен как приверженец создания маломощных высоко линейных аппаратов категории HI-END.

Очень простая топология, выполнена по двухтактной схеме, с использованием комплементарных полевых транзисторов со статической индукцией, таких как JFET, для предварительного каскада усиления, и мощных полевиков MOSFET установленных в оконечном тракте.

Принципиальная схема высококачественного усилителя First Watt F5

Технические характеристики

Корпус усилителя выполнен в строгой лаконичной форме. На передней панели установлен электрический разъем типа IEC с встроенным предохранителем и устройством защиты, которое в случае резкого скачка тока отключает схему от питания. Ну и сам выключатель с подсветкой. Внутри корпуса установлен силовой тороидальный трансформатор 300W с двумя обмотками по 17v. Выпрямительный тракт обеспечен парой диодных мостов, расчитанных на максимальный ток 25А, установлено четыре электролитических конденсатора имеющих емкость 22000µF/35v каждый.

Кроме этого имеется дополнительный блок питания, состоящий из отдельного трансформатора мощностью 3W и напряжением 12v. Этот резервный БП служит для включения реле, которое управляется схемой входных селекторов. Всего там установлено 3 входных селектора на реле, переключение выполняется пр помощи галетного переключателя.

Прежде чем использовать усилитель его необходимо настроить должным образом. Выполняется настройка с помощью двух подстроечных резисторов, которые расположены на печатной плате. В виду того, что усилитель работает в классе А и очень близок по звучанию к ламповому аппарату, то и настройка у него похожая на ламповый.

Поэтому, выполнять предварительную подстройку нужно через 1 час после его включения, это нужно для определенного прогрева всех компонентов схемы. А уже более точную корректировку рекомендуется производить примерно через пару часов работы. После эксплуатации в течении полумесяца, следует опять проверить настройки на предмет возможного изменения установленных ранее параметров. Дело в том, что изначально установленные значения, в процессе использования усилителя и полного его прогрева всех каскадов.

Через пару часов воспроизведения каких либо музыкальных композиций на средней громкости, мощные транзисторы в выходном каскаде нагреваются до температуры 45°С, в принципе у класса А так должно и быть. Следовательно, увеличивать площадь охлаждения выходного тракта в дальнейшем не планируется. В виду того, что установленные четыре алюминиевых радиатора, предварительно анодированных, а затем зачерненных, имеющие размеры 4 см толщины, 15 см высоты и в длину 20 см, вполне справляются с рассеиванием тепла.

Согласно инструкции разработчика, устанавливать выходное напряжение нужно в пределах 0,6v с помощью постоянных резисторов R11 — R12 с номинальным значением 0,47 Ом. При этом нужно еще следить за постоянным выходным током, так как выставить напряжение 0,6v можно двумя вариантами, получая разные величины U на выходе. В этом случае получилось установить 8mV и 14mV на двух каналах при падении напряжения на резисторах в пределах 0,57v.

По рекомендации первоисточника силовой трансформатор нужно устанавливать с двумя обмотками по 17v на каждой и током 8А. Около 60W в виде тепла рассеивается каждым теплоотводом, в общей сложности это получится более 120W. В результате измерений, потребляемая мощность составила 155W, это без подачи сигнала на вход.

В конечном итоге, собранный усилитель выдает великолепное, теплое, что при воспроизведении компакт-дисков улавливаешь разницу относительно CD и DVD дисками. Такой звуковой картины на стандартном усилителе мощности добиться невозможно.

Документация усилителя предоставляется его создателем бесплатно: PDF

Скачать: Передняя и задняя панели в формате fpd

Конструкция

Вариант конструкции усилителя показан на фотографии:

Чертежи печатных плат в формате pdf здесь.

Статья подготовлена по материалам журнала «Электор Электроникс»
Автор Юрген Майклс (Бельгия)
Вольный перевод: Главный редактор «РадиоГазеты»
Удачного творчества!

Комментарий от редакции «РадиоГазеты»:

Это усилитель класса «А» со всеми вытекающими последствиями как то:

1. сильный нагрев практически всех элементов конструкции. Поэтому требуется применение радиаторов соответствующих размеров и организация эффективной вентиляции корпуса усилителя.
2. настоятельно рекомендуется использование защиты акустических систем от постоянного напряжения на выходе.
3. это не только усилитель класса «А»! У автора в тексте это почему-то не отмечено, но это однотактный усилитель, что накладывает особые требования на источник питания. Для снижения фона блок питания должен быть либо стабилизированный (ещё один радиатор), либо нужны фильтрующие конденсаторы большой ёмкости — не менее 10 000 мкФ на канал. Для уменьшения нагрева диодов выпрямительного моста здесь настоятельно рекомендуется использовать диоды Шоттки. Снабдить их небольшими радиаторами тоже не помешает.

Улучшить параметры усилителя можно довольно просто — применением более современного и качественного операционного усилителя.

Конденсатор цепи обратной связи.

На многих форумах многие повторившие усилитель JLH писали о весьма заметном улучшении качества звучания при удалении электролитического конденсатора в цепи обратной связи (С4).

К такой модификации следует относиться ОЧЕНЬ ОСТОРОЖНО!!! При удалении конденсатора глубина общей ООС по постоянному току существенно уменьшается (против 100% при наличии конденсатора в цепи), в результате чего повышается дрейф выходного напряжения. Тим провел необходимые эксперименты и вот что получилось

Снизить дрейф при нагреве усилителя можно путём оптимального размещения транзисторов входного каскада (Q4, Q5, Q6). Их требуется разместить как можно ближе друг к другу, в идеале — прижать друг к другу. Во-вторых, в первый источник тока можно ввести ещё одну регулировку (VR3):

Тим провел необходимые эксперименты и вот что получилось. Снизить дрейф при нагреве усилителя можно путём оптимального размещения транзисторов входного каскада (Q4, Q5, Q6). Их требуется разместить как можно ближе друг к другу, в идеале — прижать друг к другу. Во-вторых, в первый источник тока можно ввести ещё одну регулировку (VR3):

Увеличение по клику

Этим резистором минимизируется дрейф постоянного напряжения на выходе усилителя при прогреве. Причём сделать это придётся несколько раз! Путём тщательной регулировки Тиму удалось добиться смещения на выходе порядка 50 мВ.

Мы в редакции «РадиоГазеты» тоже на макете пытались избавиться от конденсатора в цепи обратной связи, но как бы ни старались, в нашем варианте дрейф напряжения на выходе усилителя при прогреве достигал 800 мВ, что является довольно опасной величиной. В любом случае при двухполярном питании (и как следствие отсутствии разделительного конденсатора на выходе) для собственного спокойствия следует использовать систему защиты акустических систем.

Возможно, у Тима были радиаторы более внушительных размеров или другая компоновка элементов, хотя наш макет был без корпуса и охлаждение было довольно эффективное. Тем не менее, по нашим результатам мы категорически не рекомендуем избавлять от этого конденсатора.

Конечно, можно для стабилизации выходного напряжения использовать интегратор. Но многим такое решение не нравится в плане звука. Хотя как показывает практика, чаще всего все претензии к интегратору имеют корни от «кривых» рук. Его просто надо уметь готовить, не забывая, что это  апериодическая цепь второго порядка. Но это тема для отдельного разговора. Сейчас не об этом.

Удаление конденсатора из цепи обратной связи также повышает уровень фона. Помним, что усилитель однотактный! Фон становится особенно заметен при использовании высокочувствительной акустики и нестабилизированного блока питания. Без конденсатора усилитель становится очень чувствителен к качеству питающего напряжения!!!

Существенно снизить уровень фона при использовании  нестабилизированного блока питания даже при наличии конденсатора в цепи обратной связи можно путём введения дополнительного конденсатора в источник тока первого каскада как показано на рисунке:

Методы обеспечения уверенного приёма ТВ сигнала

Готового рецепта не существует. Каждый случай специфичен и требует индивидуального подхода. Что делать в этой ситуации? Во многих случаях сигнал не требует максимально усиления, как и не требуется усиливать весь «букет» сигналов.

Чтобы убедиться, с каким случаем мы действительно имеем дело, необходимо точно измерить уровень сигнала от антенны-приёмника. Это нужно для того, чтобы понять, получаем ли мы прямой или отражённый сигнал (или даже несколько), и определить дальнейшие шаги.

Одним из способов получить уверенный приём является коррекция направления антенны или её местоположения по высоте, а часто и то, и другое. Иногда достаточно сместить антенную мачту на метр или два, чтобы получить эфир гораздо лучшего качества.

Измеритель уровня стоит иметь под рукой и тогда, когда нужно убедиться, является ли качество вещания достаточным и требует ли только дополнительного усиления, или, может быть, вы получаете сильный, но избыточный сигнал? В случае сильного сигнала можно правильно подобрать антенну. Также может хватить сознательного изменения направления приёма или расположения антенны, чтобы ослабить сигнал, в то же время, устраняя его отражённые лучи.

Принимая цифровое ТВ, следует помнить, что при наложении друг на друга сильных радиочастотных колебаний, нужно сделать выбор в пользу пассивной направленной антенны без использования каких-либо усилительных элементов. Усилитель к антенне телевизора в этом случае будет способствовать интермодуляции, что приведёт к сбоям и нестабильности работы цифрового декодера.

Способы усиления мощности телеантенны

На самом деле способы усилить мощность ТВ антенны можно соотнести с медицинскими подходами: применять «терапию» или сразу пойти «хирургическим» путём. Что до резких мер, то здесь самый первый шаг – это смена самой антенны на более сильную и дорогую. Сюда же можно отнести и покупку активной антенны вместо пассивной.

Но можно действовать более мягко, особенно, если ваша антенна служила вам честь по чести не один год:

• поэкспериментировать с направлением приёма;
• поднять антенну повыше;
• по возможности, очистить путь сигналу;
• устранить все «неконтакты», заменить кабель;
• оснастить антенну усилителем сигнала. Многие внешние антенны имеют технологическую возможность установки усиливающей платы, если окажется, что она нужна.

Использование антенного усилителя

Усилители антенного сигнала телевизора самыми первыми, после антенны, выполняют первоначальную коррекцию его уровня.

Тип устройства, которое подойдёт именно вам, зависит от условий приёма в вашей местности и от конкретных потребностей всей телевизионной установки. Если необходимо усилить всю радиочастотную полосу, вы можете использовать широкополосный усилитель с фиксированным усилением. Если же, наоборот, в вашем регионе на правильный приём частот из верхней полосы УВЧ оказывают существенное влияние высокочастотные передатчики и возникают помехи, вызванные, например, проезжающими автомобилями или соседской газонокосилкой, то понадобится другая модель усилителя – с фиксированным усилением, но с ограниченным диапазоном рабочих частот.Современные усилители от различных производителей имеют достаточно эргономичную форму, что, по сути, позволяет их монтировать в любом месте коаксиального антенного кабеля. Это означает, что вы можете использовать усилитель в существующей антенной установке без необходимости разбирать антенну. Однако следует помнить, что из-за нарушения соотношения сигнал-шум с ростом расстояния от антенны, его рекомендуется устанавливать как можно ближе к антенне.

Выводы

Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.

В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.

Продолжение следует…

Другие материалы цикла:

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Слушаем музыку с компьютера правильно. Три основных способа

• Что за музыка была «зашита» в популярных ОС

• Что такое Roon?