Підсилювачі потужності класу T
Підсилювачі потужності класу TНОВА БУКВА В АЛФАВІТІ
Боротьба за економічність підсилювачів і якість звучання до недавнього часу йшла за двома напрямками. Аналогові підсилювачі забезпечували поліпшення якості звучання одночасно зі зниженням економічності, цифрові - високий ККД при невисокій якості сигналу. Одночасно вирішити ці проблеми можна при спільному використанні цифрових і аналогових методів обробки сигналу, і багаторічні розробки увінчалися успіхом. Судячи з матеріалів компанії Tripath Technology, в створених їй підсилювачах класу T висока економічність поєднується з аудіофільских якістю звучання.
Журнал вже писав про основні класи підсилювачів звукових частот. Економічним підсилювачів класу B властиві значні спотворення сигналу малого рівня ( "перший ват"), аудіофільскій підсилювачі класу A неймовірно ненажерливі. Компромісні рішення класу AB не вирішують повністю жодну з проблем.
У кращому випадку тільки половина потужності, споживаної підсилювачем, надходить в навантаження. Решта нагріває транзистори вихідного каскаду. Для підвищення економічності аналогових підсилювачів було запропоновано чимало технічних рішень, які можна звести в три групи:
- паралельна робота на загальне навантаження малопотужного каскаду класу A і потужного класу B (клас Super A)
- робота на загальне навантаження каскадів з різним напругою живлення (клас G)
- управління напругою живлення вихідного каскаду (клас H).
- низька напруга живлення збільшує втрати в вихідному каскаді вбудованих підсилювачів головних апаратів
- блоки живлення зовнішніх підсилювачів впливають практично на всі його характеристики, особливо при невисокій частоті перетворення (характерно для бюджетних моделей).
Основна перевага підсилювачів цього класу - високий ККД (в кращих зразках - до 95%). Це пояснюється тим, що амплітуда імпульсів практично дорівнює напрузі харчування і втрати потужності на вихідних транзисторах мінімальні. Спотворення зростають при збільшенні частоти сигналу і зниженні частоти дискретизації. Непрямим чином від частоти дискретизації залежить і вихідна потужність - зі зростанням частоти зменшуються індуктивність котушок і знижуються втрати в вихідному фільтрі.
Подібно аналоговим підсилювачів, імпульсні підсилювачі поділяються на підкласи AD і BD, Причому їхні переваги й недоліки теж подібні. В підсилювачах класу AD за відсутності вхідного сигналу вихідний каскад продовжує роботу, видаючи в навантаження різнополярні імпульси однакової тривалості. Це дозволяє поліпшити якість передачі слабких сигналів, але значно знижує економічність і породжує ряд технічних проблем. Зокрема, доводиться боротися з так званим наскрізним струмом, Який виникає при одночасному перемиканні вихідних транзисторів. Для усунення наскрізного струму в вихідному каскаді вводиться мертве час між закриванням одного транзистора і відкриванням іншого.
Практичне застосування знаходять більш прості за конструкцією підсилювачі класу BD, вихідний каскад яких за відсутності сигналу генерує імпульси дуже малої тривалості або знаходиться в стані спокою. Однак в підсилювачах цього типу найбільш сильно проявляються основний недолік методу - залежність рівня нелінійних спотворень від частоти дискретизації і частоти сигналу. Крім того, спотворення зростають при передачі сигналів малого рівня. Створення високоякісного широкосмугового підсилювача класу D вимагає значного ускладнення конструкції. Тому в автомобільних аудиосистемах такі підсилювачі поки застосовують тільки в сабвуферах - в цьому випадку цілком допустимо рівень нелінійних спотворень до декількох відсотків.
В підсилювачах класу T якість звучання підвищено на порядок при збереженні високої економічності. Це особливо актуально при створенні підсилювачів потужності головних апаратів. Tripath Technology випускає інтегральні підсилювачі потужністю 10 і 20 Вт для портативної аудіотехніки та головних апаратів, а також мікросхеми для створення підсилювачів більш високої потужності - до 300 Вт. 
На графіках видно, що підсилювачі класу T за своїми показниками не поступаються кращим зразкам аналогових підсилювачів. Рівень спотворень мінімальний, а в спектрі вихідного сигналу практично відсутні вищі гармоніки. В результаті відтворення музичного сигналу стає більш природним.
Головна відмінність нових підсилювачів і від аналогових, і від традиційних цифрових - низький рівень інтермодуляционних спотворень, менший, ніж коефіцієнт гармонік. Для підсилювачів класу AB, Наприклад, коефіцієнт інтермодуляційних спотворень значно (іноді в кілька десятків разів) перевершує коефіцієнт гармонік; для підсилювачів класу A ці величини одного порядку. Інтегральні підсилювачі за цим показником дещо поступаються своїм "великим" побратимам класу T, Але традиційні мікросхеми взагалі не витримують конкуренції. Тому не викликає подиву той факт, що на останній виставці в Лас-Вегасі була представлена \u200b\u200bвелика кількість магнітол і підсилювачів нового типу. 
У чому ж секрет методу? У використанні запатентованої технології. У матеріалах фірми цієї технології присвячено чимало тексту, але корисної інформації там, зі зрозумілих причин, зовсім небагато. В таємниці містяться не тільки деталі, але і сам принцип обробки сигналу. Якщо відкинути риторику, то все зводиться до двох взаємопов'язаним процесам - "Передбачення" (Predictive processing) і "Адаптивному перетворенню" (Adaptive Signal Conditioning Processing)
Спробуємо розібратися, "як вони тут крепют".
Передбаченнями з незапам'ятних часів займаються жерці і ворожки, причому зі змінним успіхом. У нашому випадку дізнатися рівень звукового сигналу можна двома способами:
- Обчислення. Відстежується швидкість зміни сигналу (похідна) і на підставі цього розраховується значення сигналу в наступний момент часу. Реалізувати можна як в аналоговому варіанті, так і в цифровому. У звуковому процесорі можна використовувати математичні моделі, побудовані на статистичних даних.
- Вимірювання. Сигнал надходить на обробку через цифрову лінію затримки, що дозволяє заздалегідь виміряти його амплітуду. Потрібно високоточний АЦП.
Про сутність алгоритму обробки залишається тільки гадати. Крім перерахованого, адаптивне перетворення може включати в себе і внутрішню негативний зворотний зв'язок - цифрову або аналогову. Виходячи з цього можна припустити, що в основу Digital Power Processing (TM) покладена одна з різновидів дельта - модуляції. Від традиційної широтно-імпульсної вона відрізняється тим, що передається не абсолютна величина сигналу, а її зміна відносно попереднього стану (звідси і "дельта" в назві). Негативний зворотний зв'язок входить в нього генетично, та й "пророкування" теж має місце бути ...
Випуском мікросхем займається безпосередньо Tripath Technology. Проводиться значна кількість різноманітних компонентів, включаючи готові підсилювальні модулі. Всі функції обробки сигналу зосереджені в одній мікросхемі з мінімумом зовнішніх компонентів. Підсилювачі малої і середньої потужності виготовляються в інтегральному виконанні. В підсилювачах великої потужності вихідний каскад виконується на дискретних компонентах. Вихідний LC-фільтр у всіх випадках монтується окремо.
І в якості ілюстрації до сказаного - трохи цифр:
Автор: А.І.Шіхатов 2002
Джерело: "Майстер 12вольт" №33 (травень-червень 2001)
Зміст
Класи підсилювачів потужності
Класи підсилювачів потужностіА і Б сиділи на трубі
А упало, Б пропало
Що залишилося на трубі?
(D ... H ... T ...)
& nbsp Автомобільна аудіосистема при всій своїй відмінності від домашньої складається з тих же самих компонентів. Різниця тільки в упаковці. Крім джерела сигналу (тюнера, магнітофона, CD- або MD-програвача) в складі будь-якої аудіосистеми обов'язково присутній підсилювач - малопомітний, але дуже важливий компонент. Ця стаття - не підручник і не довідник, тому матеріал спрощений, без зайвих формул. Хоча виклад ведеться стосовно автомобільних підсилювачів, матеріал не обмежується цими рамками ...
Основна проблема при створенні автомобільної аудіосистеми складається в оптимальному узгодженні всіх компонентів за характеристиками (рівнями сигналів, потужності, чутливості і т.д.). В одних випадках власнику автомобільної аудіосистеми досить вбудованого підсилювача головного апарату, в інших випадках необхідно використовувати додатковий підсилювач - конкретне рішення залежить від поставленого завдання. Звичайно, в кожному випадку рішення потрібно своє, але виробники автомобільної техніки дотримуються певних стандартів і стикування компонентів зазвичай не викликає проблем. При використанні головного апарату в & quotгордом самоті & quot (звичайно, разом з якісними динаміками) проблем зазвичай не виникає, але іноді вони можуть виникнути при створенні системи з декількох компонентів.
Підсилювачі потужності (кінцеві підсилювачі) призначені для збільшення потужності звукових сигналів до такого рівня, щоб вони могли порушувати гучномовці. Принцип роботи підсилювача полягає в тому, що вони перетворять підводиться до них від джерела живлення потужність постійного струму в змінний струм в навантаженні, причому форма сигналу на виході повністю повторює сигнал на вході. При цьому підсилювач повинен забезпечити мінімальні спотворення сигналу і високий ККД. Якщо в домашніх аудиосистемах рішення цих задач представляє певні складності, то в автомобільних виливається в проблеми буквально вселенського масштабу. Характеристики підсилювачів.
Основні визначення.
Мостове включення. Тепер настав час поговорити про характеристики підсилювачів. І, хоча взаємозв'язок між об'єктивно вимірюваними параметрами і суб'єктивно сприймаються як звучанням помітна мало, на сьогоднішній день іншого способу & quotзаочной & quot оцінки та порівняння підсилювачів поки не придумано. Наступний етап - порівняльне прослуховування, і тут виникає парадокс - звучання підсилювача з гіршими показниками нерідко виявляється більш приємним. Трохи пізніше ми повернемося до цієї теми.
Вихідний каскад підсилювача потужності служить підсилювачем струму і погодить попередні каскади з низкоомной навантаженням. Основні характеристики вихідного каскаду - його вихідна потужність, потужність розсіювання, споживана потужність і коефіцієнт корисної дії (ККД). ККД показує ефективність роботи підсилювача (яка частина споживаної вихідним каскадом потужності передається в навантаження). Потужність розсіювання - це потужність втрат у вихідному каскаді, що перетворюється в тепло і нагріває вихідні транзистори. Величина потужності розсіювання і ККД залежать від класу роботи підсилювача (про це далі) і рівня сигналу. Ці показники пов'язані такими співвідношеннями:
- Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ, смуга підсилюються частот) показує здатність підсилювача підсилювати різні частоти спектра. Зазвичай вказується діапазон частот, в якому відхилення коефіцієнта передачі підсилювача від коефіцієнта передачі на частоті 1 кГц не перевищує деяких меж (зазвичай + - 0,5 ... 1дБ). Для сучасних підсилювачів смуга пропускання простягається від декількох герц до десятків і сотень кілогерц і, у всякому разі, не повинна бути вже 20 Гц ... 20 кГц. Виняток становлять спеціалізовані підсилювачі. Так, для підсилювачів сабвуферів характерна смуга 10 ... 500 Гц.
- амплітудна характеристика показує залежність коефіцієнта посилення від вхідної напруги. При проходженні сигналу через нелінійний підсилювальний тракт з'являються складові з частотами, кратними основній (гармоніки), а в разі декількох сигналів - комбінаційні складові на частотах, кратних сумі або різниці складових частот і їх гармонік. Амплітудну характеристику підсилювача характеризує коефіцієнт нелінійних (гармонійних) спотворень і коефіцієнт інтермодуляційних спотворень. Ці параметри показують потужність продуктів спотворень щодо потужності основного сигналу у відсотках. Помітність спотворень визначається спектральним складом продуктів спотворень: парні гармоніки більш помітні на слух, але не так неприємні, як непарні. Думки щодо допустимої величини цих спотворень розходяться, ясно тільки одне - помітність інтермодуляционних спотворень на порядок вище, ніж гармонійних. У всякому разі, коефіцієнт інтермодуляційних спотворень підсилювача не повинен бути більше 0,1-0,2% ..
- Номінальна або безперервна вихідна потужність (Continuous Power Output) - вихідна потужність підсилювача (на один канал) при роботі на номінальне навантаження (зазвичай 4 Ом) з певним коефіцієнтом нелінійних спотворень (від 0.1% до 1% в залежності від прийнятого стандарту) на деякій частоті (зазвичай 1kHz, якщо не вказано особливо). вимірюється на синусоїдальній сигналі на активному навантаженні. Визначає зону якісного звучання. Крім того, підсилювач повинен без проблем витримувати зазначену потужність протягом тривалого періоду (зокрема, не перегріватися).
- Максимальна вихідна потужність (MPO, Max. Power Output) - вихідна потужність підсилювача (на один канал) при роботі на номінальне навантаження (зазвичай 4 Ом) з підвищеним коефіцієнтом нелінійних спотворень (зазвичай 10%) на деякій частоті (зазвичай 1kHz, якщо не вказано особливо). Залежно від конструкції вихідного каскаду підсилювача може перевищувати номінальну в 1,5 - 2,5 рази. Визначає & quotгромкость & quot підсилювача, але говорити про музичність при таких спотвореннях безглуздо.
- Пікова або музична вихідна потужність (PMPO, Peak Music Power Output) - потужність, виміряна на імпульсному сигналі на комплексній навантаженні. Поняття вельми спірне з точки зору музики, але досить точно характеризує здатність підсилювача без спотворень передавати реальні звукові сигнали. Велика частина цієї потужності має реактивний характер, тому оцінювати & quotгромкость & quot підсилювача по цій характеристиці не варто.
- коефіцієнт демпфування (Damping Factor) - відношення опору навантаження (зазвичай 4 Ом) до вихідного опору підсилювача. Показник досить спірне. Визначає ефективність електричного демпфірування резонансу рухомої системи низькочастотних динаміків і з цієї точки зору повинен бути не менше 20-30 (у ряду моделей дістігает сотень і навіть тисяч). З іншого боку, для окремих смугових підсилювачів середніх і високих частот зниження коефіцієнта демпфірування значно знижує рівень інтермодуляционних спотворень в динаміках. Однак ця характеристика дозволяє побічно оцінити здатність підсилювача віддавати в навантаження великий струм.
& NbspМаксімальную вихідну потужність можна реалізувати в тому разі, коли розмах напруги сигналу стає рівним напрузі харчування. На практиці це неможливо, так як властиве транзисторів напруга насичення (~ 0,5 ... 1,5 В для біполярних і ~ 2 ... 5 В для більшості польових в лінійному режимі) не дозволяє доводити напругу сигналу до напруги харчування. Це особливо актуально при низькій напрузі харчування, тобто при використанні вбудованих підсилювачів головних апаратів. З цієї причини вони до недавнього часу виконувалися тільки на біполярних транзисторах. Польові транзистори, що зберігають високу лінійність при низькій напрузі, з'явилися відносно недавно.
& NbspДополнітельние підсилювачі мають вбудовані перетворювачі напруги, що забезпечують напруга живлення вихідного каскаду кілька десятків вольт і для них ця обставина не так істотно. Тому вихідні каскади додаткових підсилювачів часто виконуються на польових транзисторах - якість звучання у них помітно вище, ніж у біполярних, а самі підсилювачі простіше і надійніше. Польові транзистори, на відміну від біполярних, не бояться перегріву - зі збільшенням температури кристала ток транзистора зменшується.
& NbspНаіболее простий спосіб збільшити вихідну потужність при постійній напрузі харчування - знизити опір навантаження. Однак у цього способу є недоліки:
- Погіршення демпфірування може привести до зростання резонансного горба на АЧХ
- Збільшення струму навантаження може привести до зростання спотворень
- Посилюється вплив сполучних проводів між підсилювачем і динаміком
& Nbsp Поряд з гідністю - більшою вихідною потужністю, мостовим підсилювачів властиві і недоліки. В першу чергу - підвищений приблизно в 1,2-1,7 рази в порівнянні з вихідними підсилювачами коефіцієнт гармонік і вдвічі гірший коефіцієнт демпфірування (при незмінному опорі навантаження). Теоретично коефіцієнт гармонік змінюватися не повинен, але на практиці збільшення відбувається через відмінності характеристик реальних (навіть однакових) підсилювачів. Погіршення демпфірування також зрозуміло - вихідні опору підсилювачів склалися.
& Nbsp Виходи вбудованих підсилювачів головних апаратів мають потенціал Uпит / 2 щодо маси. Тому випадкове замикання навантаження на масу призводить до виходу підсилювача з ладу, якщо він не має систем захисту. Втім, до звуку це вже має вельми віддалене відношення, про це потрібно пам'ятати при монтажі. Однак ця властивість можна використовувати. Так, входи високого рівня додаткових підсилювачів нерідко обладнані датчиком напруги, і постійна напруга на виході головного пристрою використовується як сигнал включення додаткового підсилювача. Що ховається за вихідною потужністю.
Імпеданс гучномовців.
Компенсатор Цобеля-Буше.
Стандартний еквівалент навантаження. & Nbsp Багато виробників вказують для підсилювача колосальну потужність: 100, 200 і більше ват на канал. При цьому необхідно мати на увазі, що це PMPO (пікова потужність), для реалізації якої необхідно, як мінімум, використовувати в блоці живлення батарею конденсаторів великої ємності (з розрахунку ~ 1000 мкФ на кожен ват максимальної вихідної потужності). Як уже зазначалося, оцінити гучність звучання по цій характеристиці неможливо. Потужність додаткових підсилювачів обмежується, головним чином, можливостями джерела живлення (здатністю віддавати великий струм без зниження вихідної напруги). Потужність підсилювачів головних апаратів обмежується напругою живлення і з урахуванням втрат на вихідних транзисторах не перевищує зазначених в таблиці значень.
& Nbsp Підсилювачі потужності сучасних головних апаратів виконуються виключно на мікросхемах, додаткові підсилювачі - як правило, на дискретних компонентах, хоча трапляються винятки з цього правила. У головних апаратах мається на увазі використання акустики з опором 4 Ом, але деякі моделі в змозі працювати на навантаження 2 Ом (це обмовляється особливо). Втім, подібні виключення досить рідкісні. З іншого боку, для сучасних додаткових підсилювачів навантаження 2 Ом або навіть 1 Ом - звичайне явище.
& Nbsp З потужністю нарешті розібралися. Але тут є прямо-таки фарисейська виверт. Справа в тому, що номінальна і максимальна вихідна потужність підсилювача вимірюється на активному навантаженні при подачі на вхід синусоїдального сигналу . Насправді ж підсилювачі працюють на комплексну навантаження, що володіє крім активного опору і ємністю, і індуктивністю. Та й в реальному музичному сигналі важко знайти що-небудь, хоча б віддалено нагадує синусоїду. Щоб оцінити взаємодію підсилювача і навантаження, необхідно враховувати залежність імпедансу навантаження від частоти.
& nbsp Імпеданс (повний електричний опір) гучномовців має максимуми і мінімуми. В області середніх частот він має мінімум, який дорівнює приблизно половині активного опору звукової котушки динаміка, і максимум поблизу частоти резонансу рухомої системи. Імпеданс в зоні резонансу перевищує номінальний в кілька разів. Збільшується він і з ростом частоти - позначається індуктивність обмотки звукової котушки.
& Nbsp Для компенсації індуктивної складової імпедансу застосовується компенсатор Цобеля-Буше. Він є послідовним RC-ланцюг, що підключається паралельно динаміку. В результаті імпеданс навантаження стає практично активним і не залежних від частоти. Ємність конденсатора визначається індуктивністю звукової котушки динаміка і в більшості випадків складає ~ 10-20 мкФ. Особливо виправдано включення компенсатора до складу пасивних розділових фільтрів - стабілізація навантаження фільтра покращує його частотну характеристику.
& Nbsp При відтворенні реальних музичних сигналів, що мають імпульсний характер, за рахунок впливу навантаження виникають значні скачки струму і напруги, що призводять до перевантаження вихідного каскаду підсилювача. За рахунок реактивних струмів в ланцюзі навантаження потужність розсіювання в вихідному каскаді може багаторазово перевищувати потужність, споживану підсилювачем від джерела живлення. Ємність створює кидок струму, а індуктивність - викид напруги при різкій зміні сигналу. Для випробувань підсилювачів в умовах, наближених до реальних застосовується стандартний еквівалент навантаження. Схема в основному імітує резонанс низькочастотних динаміків.
Робота підсилювача на комплексну навантаження. Основні вимоги до підсилювачів потужності. & Nbsp Особливо складною і важко передбачуваною стає робота підсилювача на багатосмугові акустичні системи, Забезпечені складними пасивними розділовими фільтрами (кроссоверами). Їх імпеданс досить сильно змінюється в робочому діапазоні частот. Навантаження на вихідний каскад підсилювача в цьому випадку значно зростає. Наприклад, при вихідний потужності підсилювача 100 Вт і навантаженні 8 Ом струм сигналу на виході становить 5 А при активному навантаженні і 28 А при комплексній навантаженні, що майже в шість разів більше. Тому ясно, що підсилювач повинен бути в змозі віддати в навантаження значний струм без спотворень форми сигналу і шкідливих для себе наслідків. З тієї ж причини сильний вплив на звучання системи надають з'єднувальні дроти між підсилювачем і динаміками - саме по ним циркулюють реактивні струми. Якщо переріз проводу недостатньо, значна частина потужності підсилювача буде губитися в проводах. Тому вибір проводів - досить серйозне питання.
- Основні вимоги до підсилювачів потужності і їх установці можна коротко сформулювати наступним чином:
- Вихідні каскади повинні володіти великою перевантажувальної здатністю по току. Це дозволить без спотворень відтворити піки сигналу.
- У схемі підсилювача повинні бути передбачені засоби захисту виходу від перевантажень по струму (автоматичні запобіжники), а також захист АС при виході підсилювача з ладу. Для автомобільних підсилювачів необхідні пристрої захисту від перегріву.
- Бажано забезпечити максимально високий ККД - це знизить навантаження на акумулятор і генератор і нагрів підсилювача.
- Вкрай бажано використання згладжують конденсаторів великої ємності, встановлених в безпосередній близькості від підсилювача. Конденсатор грає роль фільтра і додаткового джерела живлення на піках потужності. Ємність конденсатора вибирається з співвідношення ~ 1000мкФ на кожен ват потужності підсилювача.
- Монтаж ланцюгів харчування і, особливо, вихідних ланцюгів повинен бути виконаний проводами правильно підібраного перерізу. Чим більше струм і довжина проводу, тим більше повинно бути його перетин.
- Забезпечення вимог помехозащищенности. Ця вимога відноситься вже до вхідного до складу автомобільних підсилювачів високочастотного перетворювача напруги харчування, який фактично являє собою досить потужний передавач.
& Nbsp Існує три основні режими роботи вихідного каскаду & quotзвукового & quot підсилювача - A, B, AB, відповідно до яких їх класифікують. Кожен з режимів має свої достоїнства і недоліками.
- У режимі A робоча точка знаходиться на середині лінійної ділянки вольт-амперної характеристики транзисторів, тому нелінійні спотворення сигналу мінімальні. За відсутності сигналу через вихідний каскад протікає значний струм спокою, транзистори протягом робочого періоду ніколи не закриваються, тобто кожен транзистор бере участь в посиленні обох напівхвиль сигналу - і позитивною, і негативною. Споживана потужність постійна, а потужність розсіювання максимальна при малих сигналах. Термостабільність в цьому режимі найгірша.
- У режимі B робоча точка вихідного каскаду зміщена до критичного значення колекторного струму і кожну половину періоду відбувається перемикання транзисторів - кожен з них підсилює свою & quotполовінку & quot сигналу. За відсутності сигналу транзистори закриті, струм спокою не протікає. Споживана потужність пропорційна вихідний, а потужність розсіювання приблизно постійна (максимально 22% від вихідної). Термостабільність виключно висока. Найголовніший недолік, який перекреслює всі достоїнства - при збуджуючих сигналах, близьких до відсічення колекторного струму транзисторів, виникають значні переключательние спотворення, з якими не справляється ніяка негативний зворотний зв'язок.
- Режим AB - спроба примирити вовків і овець. Робоча точка обрана на початку лінійної ділянки вольт-амперної характеристики транзисторів, тому при малих сигналах каскад працює фактично працює в режимі A, а в режим B переходить при досить сильному збудженні. За відсутності сигналу через вихідний каскад протікає деякий струм спокою, іноді досить значний. ККД при цьому знижується і з'являється проблема стабілізації струму спокою. Термостабільність - задовільна.
Інші класи підсилювачів (A +, SuperA, G, DLD, H) & Nbsp За все треба платити. Плата за малі спотворення & quotчістого & quot класу A непомірна. В середньому три чверті споживаної потужності перетворюється в тепло і розсіюється значними радіаторами. Стереопідсилювач потужністю 100 Вт на канал перетворюється в скромний електрокамін потужністю 400 Вт, який чим тихіше звучить, тим більше гріється. У квартирі камін не перешкода, але в машині потрібен тільки взимку. А економічні підсилювачі класу B явно програють за якістю звучання і не влаштують прискіпливого меломана. Компромісні підсилювачі в режимі AB метушаться в пошуках & quotзолотой середини & quot між економічністю і якістю звучання. Замкнуте коло. Вихід був знайдений досить несподіваний - поєднати два підсилювача в одному так, щоб і вовки були ситі, і вівці цілі. Так на початку 80-х з'явилися підсилювачі класу A +. За якістю звучання вони наближаються до підсилювачів класу A, а по економічності - до AB. Ціна такого досягнення чимала - підсилювач став практично вдвічі складніше (і істотно дорожче).
& nbsp Принцип роботи підсилювачів класу A + полягає в використанні керованого джерела живлення. Вихідний каскад класу A працює від & quotплавающего & quot (не пов'язаного з & quotземлей & quot) джерела низької напруги (зазвичай ± 5 вольт), тому теплові втрати в цьому каскаді невеликі. Середня точка & quotплавающего & quot джерела живлення управляється окремим потужним підсилювачем класу B, що живиться від & quotнормального & quot джерела досить високої напруги (кілька десятків вольт). За рахунок спільного використання двох підсилювачів досягається і якість, і економічність. Коефіцієнт гармонік не перевищує зазвичай 0,003%.
& Nbsp Оскільки основні спотворення в підсилювачах класів AB і B виникають в моменти замикання-відмикання транзисторів (комутаційні спотворення), існує і більш просте рішення - потрібно заборонити транзисторів замикатися. Цим займається спеціальна схема. Так з'явилися підсилювачі класу SuperA або non-switching. Якість звучання і економічність практично такі ж, як і у A +, але конструкція значно простіше, тому старий варіант швидко зійшов зі сцени.
& Nbsp Не думайте, що різноманітність класів підсилювачів на цьому закінчилося. Битва за ККД привела до народження монстрів з комутованих вихідним каскадом і керованим джерелом харчування. Найпростіший варіант - підсилювач класу G. У ньому використовується здвоєний вихідний каскад в режимі AB або B і два джерела живлення різної напруги. При малої потужності (до 25-30% максимальної) працює тільки малосигнальная половина вихідного каскаду з низькою напругою живлення, на піках сигналу вона передає свої функції решті половині з підвищеним напругою живлення. Економічність каскаду вище, ніж в режимі В, спотворення трохи менше.
& Nbsp Подальшим розвитком цієї схеми став каскад з динамічним лінійним порушенням (DLD, Dynamic Linear Drive). Принцип його роботи практично такий же, але для зниження перехідних спотворень потужний високовольтний каскад вступає в роботу до того, як вичерпає свої можливості малопотужний. Для реалізації цього режиму використовується спеціальна схема управління. Застосовувалися також підсилювачі з керованим джерелом живлення, напруга якого залежало від рівня сигналу.
& nbsp Сутність режиму G в тому, що два каскади працюють при різних напругах живлення. Поки амплітуда вхідного сигналу не перевищує напруга живлення малосигнальних каскаду T1T1 ", в роботі бере участь тільки він. Діоди D1D1" захищають від пробою зворотним напругою перехід база-емітер транзисторів T2T2 ". При подальшому зростанні вхідної напруги вони відмикаються. При цьому діоди D3D3" захищають джерело низьковольтного харчування від кидка струму. Діоди D2D2 "забороняють транзисторів T1T1" перейти в стан насичення раніше, ніж відкриються транзистори T2T2 ", що знижує виникають при цьому процесі перехідні спотворення. У цій схемі вони виникають на тлі досить великих корисних сигналів, що дозволяє ефективно боротися з ними за допомогою негативного зворотного зв'язку.
& Nbsp Як вже стало зрозуміло, всі ці хитрощі досить складні конструктивно і тому навіть в пору розквіту зустрічалися в домашніх аудиосистемах рідко. В автомобільних підсилювачах ці рішення якось не прижилися - тоді було ще рано, а тепер вже пізно. Тепер особливі надії покладаються на імпульсні (& quotціфровие & quot) підсилювачі, про які піде мова далі.
& Nbsp Але є один клас підсилювачів, народжений спеціально для автомобілів. це клас H. Поштовхом для розробки цих підсилювачів послужило те, що реальний звуковий сигнал має імпульсний характер і середня потужність набагато нижче пікової. В основі схеми лежить звичайний підсилювач класу AB, включений за мостовою схемою. Родзинка - застосування спеціальної схеми подвоєння напруги харчування. Основний елемент схеми подвоєння - накопичувальний конденсатор великої ємності, який постійно заряджається від основного джерела живлення. На піках потужності цей конденсатор підключається схемою управління послідовно з основним джерелом живлення. Напруга харчування вихідного каскаду підсилювача на частки секунди подвоюється, дозволяючи йому впоратися з передачею піків сигналу.
& Nbsp На жаль, радіти рано. Виробники апаратури повідомляють тільки ці цифри, замовчуючи про головне. Максимальна потужність підсилювачів класу H залежить від ємності накопичувальних конденсаторів і частоти сигналу. Чим менше ємність конденсаторів, тим менше запас потужності на низьких частотах, Тобто як раз там, де вона особливо потрібна. Цілком очевидно, що заховати батарею конденсаторів значної ємності всередину стандартного корпусу DIN практично неможливо, тому заявлена \u200b\u200bвиробниками потужність забезпечується лише на середніх і вищих частотах.
& Nbsp Як підсумок - порівняльні характеристики підсилювачів різних типів:
Цифрові підсилювачі. & nbsp Строго кажучи, правильно було б називати їх імпульсними підсилювачами, але паралелі & quotаналоговий-цифровий & quot вже спрацювали, і термін прийнятий de facto, хоча і не визнаний офіційно.
& Nbsp Зрештою під натиском цифрової техніки стали відступати навіть підсилювачі, які традиційно працювали тільки з аналоговими сигналами. Ідея, покладена в основу підсилювачів з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) - інакше кажучи, підсилювачів класу D, Відома ще з кінця 50-х років. Однак створення дійсно придатних для високоякісного звуковідтворення конструкцій стало можливим лише в середині 80-х після появи відповідної елементної бази.
& Nbsp У підсилювачах класу D можливий режим безпосереднього посилення цифрових сигналів без їх перетворення в аналогову форму. Коли аудіосигнал вже представлений в цифровому вигляді, інформацію про величину сигналу і необхідному для його посилення напрузі живлення можна отримати заздалегідь. Це використовується в деяких конструкціях, так що ідея управління напругою живлення отримала друге життя.
& Nbsp Принцип роботи підсилювачів цього класу полягає в тому, що вихідний каскад збуджується імпульсами прямокутної форми. Потім послідовність прямокутних імпульсів надходить на підсилювач потужності, що працює в ключовому режимі. Фільтр НЧ на виході виділяє корисний сигнал, пригнічуючи при цьому несучу частоту, її гармоніки і бічні смуги спектра модуляції. ККД цих підсилювачів доходить до фантастичною цифри 92-95%. Ця перевага особливо проявляється при посиленні сигналів малого рівня. Однак спотворення сигналів малого рівня більше, ніж середнього. Коефіцієнт нелінійних спотворень зазвичай лежить в межах від 0,01 до 0,1%.
& Nbsp Підсилювачі класу D, подібно їх аналоговим побратимам, теж поділяються на класи. Основне поділ йде за кількістю рівнів вихідних імпульсів:
- два рівня (+ U і - U) - режим AD
- три рівня (+ U, 0 і -U) - режим BD
- одностороння модуляція: зміщується в часі тільки один фронт імпульсів (передній або задній)
- двостороння модуляція: зміщуються в часі обидва фронти імпульсів симетрично щодо моменту тактирования
- Модулирующие сигнали можуть бути двох видів
- безпосередньо аналоговий сигнал (випадкова дискретизація). Додаткові спотворення не виникають.
- сигнал після схеми вибірки-зберігання (фіксована дискретизація). Зміни форми імпульсів призводять до додаткових нелінійних спотворень сигналу.
& nbsp У разі цифрових вхідних сигналів (від CD-програвачів, MD-магнітофонів, систем цифрового мовлення, яких у нас поки немає) в роботу вступає цифро-цифровий перетворювач & quotкод - тривалість & quot. Таке перетворення виконується шляхом багаторазового передискретизации і переходу від 16 розрядів до одного (BitStream). Отриманий на його виході сигнал подається на вхід підсилювача потужності, і далі - на фільтр НЧ. Можливе застосування цифрової зворотного зв'язку.
& nbsp У разі аналогових вхідних сигналів перетворення амплітуди сигналу в тривалість імпульсу відбувається в широтно-імпульсному модуляторі (ШІМ). Шпаруватість (відношення тривалості імпульсів до періоду проходження) пропорційна амплітуді корисних сигналів. Вхідний сигнал порівнюється компаратором з опорним сигналом пилкоподібної (при односторонній модуляції) або трикутної форми (при двосторонній модуляції). Крім того, двостороння ШІМ може бути реалізована при симетричному зміщенні фронтів щодо одного періоду дискретизації (один відлік) або по двом періодам (два відліку), що дозволяє вдвічі знизити ефективну тактову частоту. Частота опорного сигналу (частота дискретизації) повинна, відповідно до теорії, перевищувати максимальну частоту сигналу не менше, ніж в 2 рази. Практично для полегшення фільтрації і зниження спотворень частота дискретизації вибирається не нижче 500 кілогерц, а в останніх моделях вимірюється вже багатьма мегагерцами. Сигнал на виході компаратора має форму прямокутних імпульсів з частотою дискретизації, ширина яких пропорційна миттєвим значенням вхідного сигналу. Для зниження спотворень в підсилювачах з аналоговим входом зазвичай застосовується негативний зворотний зв'язок за звуковим сигналом.
- В цілому висновки такі:
- У режимі AD спотворення менше, ніж в режимі BD.
- У режимі AD ККД гірше, ніж в BD.
- Двостороння модуляція краще односторонньої, оскільки при цьому відсутні парні гармоніки.
- Підвищення частоти дискретизації зменшує нелінійні спотворення.
& Nbsp Можна сказати: Так здг "авствуют ціфг" ові підсилювачі - за ними майбутнє !!!.
класи електронних підсилювачів і режими роботи активних підсилюючих приладів (ламп або транзисторів) традиційно позначаються буквами латинського алфавіту. Літерні позначення класів посилення можуть додатково уточнюватися суфіксом, що вказує на режим узгодження потужного каскаду з джерелом сигналу (AB1, AB2 і т.п.) і з навантаженням (F1, F2, F3). Пристрої, що сполучають властивості двох «однобуквених» класів, можуть виділятися в особливі класи, що позначаються поєднанням двох букв (AB, BD, DE і застарілий BC).
Перша буквена класифікація, діюча донині (режими А, B і С), сформувалася в 1920-і роки і була доповнена режимом, або класом, D в 1955 році. Розпочатий в 1960-і роки випуск високочастотних силових транзисторів уможливив побудову економічних транзисторних підсилювачів радіочастот класів E і F. Послідовне удосконалення транзисторних підсилювачів потужності звукових частот класу B призвело до розробки підсилювачів класів G і H. Єдиного реєстру класів підсилення не існує, тому в різних областях електроніки або на різних ринках одна і та ж буква (наприклад, S) може позначати принципово різні пристрої. Схеми, відомі в Європі і Японії як клас G, в США відносяться до класу H, і навпаки. Буква, широко використовувана в одній галузі електроніки (клас F з його похідними F1, F2, F3 і т. Д.), В іншій області може вважатися «вільної». Крім того, є «класи підсилювачів» - торгові марки компаній-виробників і стоять за ними приватні технічні рішення. Одні з них, наприклад, конструктивно схожі підсилювачі звукових частот «класу S» і «класу АА», докладно описані в літературі, інші відомі тільки по рекламі виробників.
Традиційна класифікація: клас А, B, С і D
У 1919 році інженер Bell Labs Джон Муркрофт і його стажист Харальд Фрис, опублікували аналіз роботи вакуумного тріода в генераторі несучої частоти радіопередавача. В цієї роботи були вперше визначені режими роботи лампи без відсічення (режим А), з відсіченням протягом половини періоду (режим B) і протягом більш ніж половини періоду (режим С). У 1928 році Норман Маклаклан опублікував в Wireless World перший детальний аналіз двотактного каскаду в режимах А, B і C. У 1931 році американський Інститут радіоінженерів (IRE) визнав цю класифікацію галузевим стандартом. Режим роботи підсилювача, проміжний між режимами А і B, отримав назву режиму AB і широко застосовувався в лампової техніки, а введене було поняття режиму BC не прижилося. У 1950-ті роки класифікацію доповнив режим, або клас D - режим, в якому активні елементи каскаду працюють в ключовому (імпульсному) режимі. З переходом промисловості на транзистори поняття режимів A, AB, B і C були адаптовані до новій елементній базі, але принципово не змінилися.
Одна і та ж схема двотактного підсилювача може працювати в режимах А, АВ, B і C. Режим задається вибором напруги зсуву на сітках (V с):
Формулювання стандарту IRE були складені в термінах вибору керуючих напруг на сітці лампи, що забезпечує безперервне (А) або переривається (B і C) протікання анодного струму. В інших галузях електроніки склалися інші, еквівалентні формулювання. Конструктори радіоприймальних пристроїв оперували поняттям кута провідності гармонійного сигналу, а конструктори підсилювачів низької частоти і підсилювачів постійного струму - вибором робочої точки на передавальної (анодно-сіткової) або вихідний (вольт-амперної) характеристиці лампи.
У російській технічній літературі поняття режимів і класів A, AB, B і C близькі, але не взаємозамінні. Поняття режиму застосовується до окремо взятому транзистору або лампі підсилювального каскаду ( «режимом А називають такий режим роботи підсилювального елемента ...»), поняття класу застосовується до підсилювальному каскаду, або до підсилювача в цілому. В англомовній літературі у всіх випадках використовується єдине поняття class ( «клас»).
Режим підсилювачів класу А
Режим А - такий режим роботи підсилювального елемента (транзистора або лампи), в якому за будь-яких допустимих миттєвих значеннях вхідного сигналу (напруги або струму) струм, що протікає через підсилювальний елемент, не переривається. Підсилювальний елемент не входить в режим відсічення, не відключається від навантаження, тому форма струму через навантаження більш-менш точно повторює вхідний сигнал. В окремому випадку підсилювача гармонійних коливань режим А - такий режим, в якому струм через підсилювальний елемент протікає протягом всього періоду, тобто кут провідності дорівнює 360º.
Більш жорсткі визначення обумовлюють не тільки неприпустимість відсічення, але і неприпустимість насичення (обмеження максимального струму) підсилювального елемента. За визначенням М.А. Бонч-Бруєвича, «режим А характеризується тим, що при дії сигналу робоча точка не виходить за межі практично прямолінійного ділянки динамічної характеристики лампи». При цьому нелінійні спотворення мінімальні, але коефіцієнт корисної дії (ККД) каскаду виявляється низьким »через необхідність пропускати через підсилювальний елемент значний струм спокою. У транзисторної радіотехніці каскад, який відповідає процитованої визначенням, називають недонапряжённим, а каскад, в якому на піку сигналу спостерігається насичення або обмеження струму - перенапряжённим ( «напруженість» у цьому контексті є відносна міра амплітуди вхідного сигналу). Режим роботи на кордоні недонапряжённого і перенапряжённого станів називається критичним.
Струм спокою підсилювального елемента в режимі А повинен, як мінімум, перевищувати піковий струм, що віддається каскадом в навантаження. Теоретичний ККД такого каскаду при неспотвореному відтворенні сигналів максимально допустимої амплітуди дорівнює 50%; на практиці він істотно нижче. У однотактний транзисторних підсилювачах потужності ККД зазвичай дорівнює 20%, тобто на 1 Вт максимальної вихідної потужності вихідні транзистори повинні розсіювати 4 Вт тепла. Через складності з відведенням тепла транзисторні УМЗЧ класу А, на відміну від їх лампових аналогів, поширення не отримали. У малопотужних широкосмугових однотактний каскадах режим А, навпаки, є єдино можливим рішенням. Всім іншим режимам (AB, B і С) в однотактному включенні властиві неприпустимо високі нелінійні спотворення. У вузькосмугових радіочастотних підсилювачах гармоніки, породжувані отсечкой підсилювального елемента, можуть бути ефективно відфільтровані, але в широкосмугових підсилювачах (УМЗЧ, відеоусілітелі, вимірювальні підсилювачі) і підсилювачах постійного струму цієї можливості немає.
Режими підсилювачів класу B і AB
У режимі B підсилювальний елемент здатний відтворювати або тільки позитивні (лампи, npn-транзистори), або тільки негативні (pnp-транзистори) вхідні сигнали. При посиленні гармонійних сигналів кут провідності дорівнює 180 ° або трохи перевищує цю величину. Режим AB є проміжним між режимами A і B. Струм спокою підсилювача в режимі AB істотно більше, ніж в режимі B, але істотно менше, ніж струм, необхідний для режиму А. При посиленні гармонійних сигналів підсилювальний елемент проводить струм протягом боольшой частини періоду: одна полуволна вхідного сигналу (позитивна чи негативна) відтворюється без спотворень, друга сильно спотворюється. Кут провідності такого каскаду суттєво більше 180 °, але менше 360 °.
Граничний ККД ідеального каскаду в режимі B на синусоїдальній сигналі дорівнює 78,5%, реального транзисторного каскаду - приблизно 72%. Ці показники досягаються тільки тоді, коли вихідна потужність P дорівнює максимально можливої \u200b\u200bпотужності для даного опору навантаження P макс (R н). Зі зменшенням вихідної потужності ККД падає, а абсолютні втрати енергії в підсилювачі зростають. При вихідної потужності, що дорівнює 1/3 P макс (R н), втрати реального транзисторного каскаду досягають абсолютного максимуму в 46% від P макс (R н), а ККД каскаду зменшується до 40%. З подальшим зменшенням вихідної потужності абсолютні втрати енергії зменшуються, але ККД продовжує знижуватися.
Щоб відтворити одну півхвилю вхідного сигналу без спотворень в області переходу через нуль, підсилювач повинен залишатися лінійним при нульовій напрузі на вході - тому в підсилюючих елементах в режимі B, завжди встановлюється невеликий, але не нульовий струм спокою. У лампових підсилювачах потужності в режимі B струм спокою становить 5-15% від максимального вихідного струму, в транзисторних підсилювачах - 10-100 мА на кожен транзистор. Всі ці підсилювачі двотактні: одне плече підсилювача відтворює позитивну півхвилю, інше - негативну. На виході обидві напівхвилі складаються, формуючи мінімально спотворену посилену копію вхідного сигналу. При малих миттєвих значеннях вихідної напруги (в транзисторних підсилювачах - кілька сотень мВ) такий каскад працює в режимі A, при боольшой напружених одне з плечей закривається і каскад перемикається в режим B.
У сучасній літературі немає єдиної думки про класифікацію таких двотактних транзисторних каскадів. На думку Джона Ліндсі Худа і Боба Корделла, їх слід розглядати як режим AB. На думку Г. С. Цикин, Дугласа Селф і А.А. Данилова це режим B. З їх точки зору, повноцінний режим AB починається при істотно боольшой токах спокою (і супроводжується неприйнятно великим рівнем перехідних спотворень).
Режим підсилювачів класу C
У режимі C, також як і в режимі B, підсилювальний елемент відтворює тільки позитивні, або тільки негативні вхідні сигнали. Однак робоча точка підсилювального елемента обрана так, що при нульовій напрузі на вході (або при нульовому керуючому струмі) підсилювальний елемент замкнений. Струм через підсилювальний елемент виникає тільки після переходу керуючого сигналу через нуль; якщо цей сигнал гармонійний, то підсилювач відтворює одну перекручену півхвилю (кут провідності менше 180 °). У недонапряжённом режимі C амплітуда вхідного сигналу невелика, тому підсилювач здатний відтворити вершину цієї напівхвилі. У перенапряжённом режимі C амплітуда вхідного сигналу настільки велика, що підсилювач спотворює (зрізає) і вершину напівхвилі: такий каскад перетворює синусоїдальний вхідний сигнал в імпульси струму трапецієподібної форми. Граничний теоретичний ККД недонапряжённого підсилювача в режимі C, так само як і в режимі B, дорівнює 78,5%, а перенапряжённого - 100%. Через високі нелінійних спотворень підсилювачі в режимі С, навіть двотактні, непридатні для відтворення широкосмугових сигналів (звуку, відеосигналів, постійного струму). У резонансних підсилювачах радіопередавачів вони, навпаки, широко застосовуються завдяки їх високому ККД.
В англомовній літературі і недонапряжённий, і перенапряжённий режими відносять до «класичного», або «справжньому», режиму С (англ. Classic Class C, true Class C). сучасні підсилювачі потужності радіочастот зазвичай працюють в іншому, «змішаному» режимі С (англ. mixed-mode Class C), який іноді виділяється в особливий «режим СD». Протягом одного періоду транзистор такого підсилювача послідовно проходить через чотири фази - відсічення, наростання колекторного струму, насичення і зниження струму, причому тривалість активних фаз (наростання і зниження струму) порівнянна з тривалістю фаз відсічення і насичення.
Режим підсилювачів класу D
Ідея підсилювача з імпульсним керуванням вихідними лампами була запропонована Д. В. Агеєвим (СРСР, 1951) і Алеком Рівзом (Великобританія). У 1955 році Роже Шарбонье (Франція) вперше назвав такі пристрої підсилювачами класу D, а вже через рік ця назва увійшло в радіолюбительську практику. У 1964 році у Великобританії випустили перші транзисторні УМЗЧ класу D, які не мали комерційного успіху, в 1974 і 1978 так само безуспішні спроби зробили Infinity і Sony. Масовий випуск підсилювачів цього класу став можливий тільки після налагодження виробництва силових МДП-транзисторів, що відбулася в першій половині 80-х років.
Структурна схема підсилювача класу D без петлі зворотного зв'язку
У режимі C форма струму вихідних транзисторів може приймати вид майже прямокутних імпульсів. У режимі D така форма струму закладена за визначенням: транзистор або замкнений, або повністю відкритий. Опір відкритого каналу сучасних силових МДП-транзисторів вимірюється десятками і одиницями мОм, тому в першому наближенні можна вважати, що в режимі D транзистор працює без втрат потужності. ККД реальних підсилювачів класу D дорівнює приблизно 90%, в найбільш економічних зразках 95%, при цьому він мало залежить від вихідної потужності. Лише при малих, 1 Вт і менш, вихідних потужностях підсилювач класу D програє в енергоспоживанні підсилювача класу B.
Незважаючи на співзвуччя з англійським digital ( «цифровий»), підсилювачі класу D не є, в загальному випадку, цифровими пристроями. Найпростіша і найбільш поширена схема підсилювача класу D з синхронної широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) - це повністю аналогова схема. В її основі - задає генератор сигналу трикутної форми, частота якого зазвичай дорівнює 500 кГц, швидкодіючий компаратор, і формувач імпульсів, які відкривають вихідні транзистори. Якщо миттєве значення вхідної напруги перевищує напруга на виході генератора, компаратор подає сигнал на відкриття транзисторів верхнього плеча, якщо немає - то на відкриття транзисторів нижнього плеча. Пристрій для формування імпульсів підсилює ці сигнали, поперемінно відкриваючи транзистори верхнього і нижнього плеча, а включений між ними і навантаженням LC-фільтр згладжує віддається в навантаження струм. На виході підсилювача - посилена і демодулювати, очищена від високочастотних перешкод копія вхідного напруги.
Схема з аналогової ШІМ стійка при будь-яких значеннях вихідної напруги, але не дозволяє домогтися високої якості відтворення звуку, навіть якщо охопити її зворотним зв'язком. Нелінійні спотворення класу D мають кілька причин: нелінійність генератора сигналу трикутної форми, нелінійність котушок індуктивності вихідного фільтра, нелінійність через мертвого часу між включеннями верхнього і нижнього плеча підсилювача. На відміну від традиційних підсилювачів, в тій чи іншій мірі пригнічують нестабільність живлячих напруг, в підсилювачах класу D низькочастотні перешкоди безперешкодно проходять з живлячих шин на вихід підсилювача. Ці перешкоди, шуми і дрейф не тільки накладаються на посилений сигнал, але і модулюють його по амплітуді. Щоб знизити ці спотворення, конструктори перейшли від синхронної ШІМ до асинхронної модуляції зі змінною частотою проходження імпульсів і до сигма-дельта-модуляції (спосіб модуляції, що забезпечує оцифровку сигналу з заданими характеристиками в робочій смузі частот). Неминучим наслідком цього стало зростання частоти перемикання вихідних транзисторів до десятків МГц і зниження ККД із-за зростання втрат при перемиканні. Для того щоб знизити ці втрати, конструктори застосували найпростіші цифрові схеми, зменшували частоту перемикання (наприклад, перетворювати послідовність керуючих імпульсів 01010101 ..., відповідну нульового вхідній напрузі, в 0011 ..., 00001111 ... і так далі). Природним розвитком цього підходу стала повна відмова від аналогової модуляції і перехід до чисто цифровій обробці вхідних сигналів, а побічним наслідком - розростання номенклатури однобуквених «класів посилення».
У 1998 році заснована Адья Тріпаті компанія Tripath випустила повністю цифровий інтегральний УМЗЧ класу D з заявленими показниками якості, що наближалися до показників «звичайних» підсилювачів високої вірності. Нові мікросхеми пішли в продаж під вивіскою «класу Т» і отримали в цілому позитивні відгуки преси і радіоаматорів. Підсилювач Tripath TA2020 увійшов до списку «25 мікросхем, які потрясли світ» журналу IEEE Spectrum, а сама компанія припинила існування в 2007 році, не витримавши конкуренції з великими виробниками. За «класом T» пішли «клас J» компанії Crown International, «клас TD» компанії Lab.gruppen, «клас Z» компанії Zetex і радіочастотний «клас M» компанії PWRF. Оглядач журналу EDN Пол Рейко зауважив, що «cочіненіе нових" класів підсилювачів "- не більше ніж маркетинговий прийом, яка приносить компанії більше шкоди, ніж користі ... хочете новий клас посилення - купіть Allen-Bradley (виробник ракети Tomahawk) і винайдіть заново клас AB ».
еволюція підсилювачів звуковий частоти: Класи G, H, ...
Клас G c перемиканням
Стежить клас G і клас Н
Гібридний клас D ( «клас TD»)
Гібридний клас D
Максимальна потужність підсилювача звукової частоти, яка визначається в тому числі напругою його живлення, буває затребувана відносно рідко. Боольшой частину часу підсилювач відтворює сигнали щодо невеликої амплітуди. В підсилювачах класів B або AB це супроводжується високими абсолютними втратами енергії при малому ККД (10-40%). Щоб зменшити втрати і підвищити ККД, слід знизити напругу живлення - але підсилювач з низьким напругою живлення виявиться нездатним відтворювати рідкісні пікові фрагменти вхідного сигналу. Вирішення цієї дилеми запропонував в 1964 році інженер НАСА Мануель Крамер. За ідеєю Крамера, підсилювач класу B або AB слід живити від джерела напруги з двома або трьома комплектами шин харчування. При відтворенні сигналів малої амплітуди вихідний каскад підключений до шин з низькою напругою живлення, а з ростом рівня сигналу він почне працювати від шин з високою напругою.
Серійний випуск таких УМЗЧ початку в 1977 році компанія Hitachi. Новинка отримала маркетинговий ярлик «класу G», який прижився в японській і англійській літературі і став визнаним доповненням традиційної класифікації підсилювачів. Японські підсилювачі класу G попитом не користувалися, а аналогічна конструкція Боба Карвера, випущена в 1981 році, прижилася на американському ринку професійного обладнання. Придумане Карвером назву «клас H» закріпилося в американській літературі, і колись універсальна класифікація розпалася на регіональні ніші - «американську» і «англо-японську». З плином часу американські автори повернулися до «англо-японським» позначенням - саме їх використовують, наприклад, Денніс Бонн (2012) і Боб Корделл (2011). Сучасне поняття «класу G» об'єднує два підходи до перемикання шин харчування - поетапне і плавне перемикання, і два підходи до схемотехнике вихідного каскаду - послідовне включення ( «внутрішній» каскад власне УМЗЧ вкладений у «зовнішній» каскад управління шинами харчування) і паралельне (два вихідних каскаду, «низьковольтний» і «високовольтний», підключені до навантаження в паралель).
Наступним етапом розвитку економічних підсилювачів став «європейський» клас H - підсилювачі з плавно мінливих напругою джерела живлення. При малих рівнях вихідного сигналу підсилювач підключений до «звичайним» шинам з низькою напругою живлення. При зростанні вихідної напруги напруга на верхній (для позитивної напівхвилі) або нижньої (для негативної напівхвилі) шині харчування збільшується, підтримуючи мінімально необхідне падіння напруги на активному транзисторі. У найпростішому варіанті класу H використовується конденсатор вольтодобавки, що заряджається від основної шини джерела живлення. У більш складному варіанті, що застосовується в мікросхемах автомобільних УМЗЧ, застосовується вбудований перетворювач напруги, що накачує конденсатори вольтодобавки до необхідних значень. За класом Н пішли різноманітні схеми гібридів підсилювачів класів B і D. У цих конструкціях «брудний» підсилювач класу D формує напруга на шинах харчування «чистого» підсилювача в класі B або AB (рідше - класу H), підключеного до навантаження. Варіанти таких підсилювачів отримали назви «гібридного класу D», «класу TD» або «стежить класу D», «класу A / H», «класу К» (від Корея) і т.п. «Клас BD», навпаки, не є гібридним - це всього лише ранній варіант класу D з синхронної ШІМ.
Еволюція радіочастотних підсилювачів: класи E, F, ...
Схемотехніка радіочастотних підсилювачів розвивається в двох основних напрямках: підвищення робочої (несучої) частоти сигналу і підвищення коефіцієнта корисної дії в уже освоєних частотних діапазонах. У 1985 році транзисторні підсилювачі, що працюють на відносно низьких частотах, досягли ККД в 95-98%, а вже на частоті в 30 МГц ККД знижувався до 80%. До 2000 року те ж значення ККД в 80% стало нормою для діапазону 900 МГц. На цих частотах затримка перемикання транзистора стає порівнянної з періодом несучої частоти, і грань між ключовими режимами і режимами керованого джерела струму стирається. При цьому не існує жодної теорії, яка описує процеси в надвисокочастотних потужних каскадах, жодного методу аналізу і оптимізації таких каскадів - навіть давно відомого каскаду в змішаному режимі С.
У 1975 році спробу такого аналізу провели батько і син Натан і Алан Сокал. Взявши за основу добре відомий ключовий каскад, вони поставили завдання мінімізації втрат під час перемикання транзистора з закритого стану у відкрите і назад. Сокал сформулювали принцип роботи економічного підсилювача потужності, який вони назвали «класом E». При виключенні транзистора струм через нього повинен зменшиться до нуля до того, як почне наростати коллекторное напруга, а при включенні - напруга на колекторі повинно впасти до нуля до того, як почне наростати струм. Поєднання високої напруги і великої струму неприпустимі. Таким чином, стверджував Натан Сокал, можливо знизити втрати з 35% до 15% споживаної потужності навіть на частотах, на яких затримка включення транзистора становить 30% періоду несучої частоти.
Альтернативний підхід до зниження втрат - спектральний (гармонійний) поділ струмів і напруг в вихідному каскаді. Навантаження такого підсилювача складається з декількох резонансних контурів, налаштованих на пропускання парних гармонік несучої частоти і на придушення непарних гармонік. В ідеалі форма струму такого каскаду містить, крім несучої частоти, тільки її парні гармоніки, а форма напруги на колекторі або стоці потужного транзистора - тільки непарні. У реальних підсилювачах використовується два або три контури, тому форми струмів і напруг суттєво відрізняються від ідеальних. Підсилювачі такого роду зазвичай виділяються в особливий клас F, але в літературі також зустрічаються терміни «економічний клас С», «оптимальний клас С», «мультірезонансной клас С», HRA (англ. Harmonic reactance amlifier), HCA (англ. Harmonic control amplifier ) і навіть «клас Е» (в сенсі, відмінному від класу Е по Сокаль). Залежно від конфігурації контурів і вибору придушуються і пропускаються гармонік всередині класу F виділяють підкласи F1, F2, F3, F1 ( «зворотний», або «інверсний», F) і т.п.
зазвичай, високоякісні підсилювачі потужності (Hi-Fi) підсилюють сигнал аудіо систем в вихідних каскадах для управління навантаженням динаміка. Останній, як правило, має опір 4 або 8 ом, тому, УНЧ повинен вміти працювати з високими піковими струмами, необхідними для управління низьким опором акустичних систем.
для відмінності електричних параметрів УНЧ їх класифікують відповідно до їх схемотехнікою і способами роботи. класи підсилювачів - це термін в електроніці і звукотехніці, використовується для диференціації між типами різних підсилювачів.
Класи підсилювачів є суму вихідного сигналу, який змінюється в залежності від схеми підсилювача протягом одного циклу роботи при порушенні синусоїдальним сигналом наступним на вхід УНЧ.
Класи підсилювачів лежать в основному в двох групах. Перші в класичному виконанні підсилювачі потужності, утворюють більш загальні класи підсилювачів A, B, AB і C. В основному будуються на транзисторної, лампової та гібридної схемотехніки.
Другий основний клас підсилювачів це нові УНЧ класу D, E, F, G, S, T і т.д., схемотехніка яких базується на цифрових схемах і широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).
Найбільш широко поширений тип УНЧ в основному завдяки своїй схемотехнической простоті. Клас А, в принципі « кращий клас»Підсилювача, т.к саме в них найбільш низький рівень спотворень сигналу і найкраще звучання. Крім того підсилювач класу А має максимальну лінійність і тому працює в лінійному ділянці кривої характеристик.
Основним мінусом УНЧ класу А є їх низький ККД: зазвичай не вище 10%. Тобто припустимо що якщо у нас є УНЧ з вихідною потужністю 50 Вт, то він буде безперервно споживати від мережі живлення 500 Вт. Так як не вся потужність, перетворюється в звукові коливання, велика її маса виділяється на елементах підсилювача (лампи, транзистори, опору, конденсатори і т. Д.) У вигляді теплових втрат.
З цієї причини підсилювачі класу А зазвичай розробляють з потужністю не вище 10 Вт на канал. Вихідний каскад, що працює в класі А, містить тільки один активний елемент. Тому такий вихідний каскад зазвичай називають однотактних. В окремих випадках, коли потрібна велика вихідної потужності в однотактний УНЧ використовують 2 або 3 однакових діючі речовини, з'єднаних паралельно.
У УНЧ з вихідним каскадом, що працюють в класі А, через вихідний транзистор постійно йде максимальний струм. При надходження на вхід корисного сигналу на вхід цього каскаду (база або затвор транзистора, сітка лампи) електричні характеристики активного радіокомпонент змінюються. Це викликає перерозподілу струму, споживаного від блоку живлення, між вихідним каскадом і підключеним до нього акустичної системи.
УНЧ класу B були створені рішення ефективності та проблем з нагріванням у вище описаного типу. Підсилювач потужності класу В використовує два біполярних або польових транзистора для кожної половини сигнал, один з активних елементів підсилює тільки позитивну, а другий - тільки негативну півхвилю вхідного сигналу.
У такому усилительном каскаді при відсутності корисного сигналу струм через вихідні активні елементи зовсім не протікає. Двотактний каскад найпростіше зібрати за допомогою комплементарних транзисторів з різним типом провідності (електронного і діркового типу). У лампових варіантах все набагато складніше, тому що комплементарних пар ламп ще не придумали. Тому реалізація двотактного каскаду в ламповому виконанні вимагає використання спеціальних вихідних трансформаторів. Підсилювач потужності з двотактним вихідним каскадом називають підсилювачем «класу В».
УНЧ класу B більш ефективний, ніж А, але при цьому може створити спотворення в точці перетину нульового рівня. Тобто частина сигналу, яка потрапляє в рівень до 0,7 вольт не чути не зовсім точно, що робить подібні УНЧ непридатними для високої точності звуку.
Щоб частково подолати це спотворення при перетині нуля (спотворення) були розроблені УНЧ такого вигляду:
До цього виду належить основна маса всіх промислових транзисторних і лампових УНЧ потужністю більше 20 Вт. ККД підсилювача класу АВ (як і В) буде близько 50%. Тобто, в момент появи сигналу УНЧ, який чи в навантаження 50 Вт потужності, споживає 100 Вт від джерела живлення. При відсутності або малих рівнях сигналу споживана потужність схеми УНЧ задається струмом спокою вихідних компонентів і складає 1 - 10% від максимальної корисної потужності. Тому, двотактні підсилювачі (В і АВ) виявляються істотно економічніше УНЧ типу А.
У подібних схемах два транзистора мають деякий невелика напруга зсуву, зазвичай, від 5 до 10% від струму спокою для зміщення цих активних компонентів трохи вище точки нульового рівня.
Величезним плюсом цього невеликого напруги зсуву, створеного діодами або резисторами, полягає в тому, що спотворення кросовера УНЧ в класі В буде подолано. Тобто підсилювач потужності класу АВ хороший проміжний варіант між класом А і B з точки зору лінійності і ефективності.
Робота підсилювача класу C задається вибором робочої точки на характеристиці прямої передачі таким чином, щоб транзистор був закритий, і для його відкриття сигнал на вході повинен перевищити заданий рівень. В результаті на виході транзисторів протікає струм обмеженою знизу синусоїди з кутом відсічення нижче 90 °.
Як видно з графіка вище, в даному випадку посилюється тільки невелика частина періоду синусоїди, що призводить до сильних нелінійних спотворень і тому такий режим роботи активного компонента підходить для підсилення не всіх видів сигналу. У ролі УНЧ таку схему використовувати не можна.
Хоча їх і не можна використовувати в ролі підсилювачів потужності звукової частоти, вони дуже ефективні для сигналів, в яких інформація закладена в зміна фази несучого коливання. Тобто при частотної модуляції або фазової модуляції
Існують і інші класи УНЧ, використовувані для посилення звуку з максимальним ККД. Вони позначаються буквами латинського алфавіту D, G, Н, Т. В високоякісної звукової техніки такі типи УНЧ не застосовують.
Так УНЧ класу Н в інтегральному виконанні часто використовуються в схемах автомобільних сабвуферів. УНЧ класу D при посиленні використовують широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ), тобто перетворення вхідного сигналу в певну послідовність коротких імпульсів різної тривалості і зворотне їх відновлення на виході схеми.
Не так давно з'явилися ШІМ-підсилювачі класу Т виконані у вигляді потужних мікросхем з ККД близько 90%. Однак їх звучання нормальним назвати не можна, а при прослуховуванні формується відчуття, що крім музики десь неподалік працює розпилювальний аерозольний балончик.
Дана схема класу D складається з вхідного підсилювача, що забезпечує потрібну опір на вході, компаратора напруги, на другий вхід якого слід пилкоподібна напруга і вихідного каскаду на комплементарних польових транзисторах. Саме вони і задають необхідну вихідну потужність.
Мікросхеми подібного класу зазвичай використовуються в недорагой портативній апаратурі.
Підбірка радіоаматорських конструкцій і схем на різних микросборках УНЧ.
Підсилювачі класу А. Попередні, малопотужні каскади посилення напруги і (або) струму не споживають багато електроенергії і будуються тому з використанням найпростішого, поширеного і добре зрозумілого підходу. При цьому всі активні елементи схеми (т. Е. Транзистори або лампи) споживають від джерела живлення максимальний струм, незалежно від того, чи присутній на вході і виході підсилювача корисний сигнал. Підсилювачі з таким режимом роботи називають підсилювачами «класу А».
Класи підсилювачів потужності
Підсилювач класу А забезпечує найбільш високу якість звуковідтворення і широко використовується у всіх каскадах сучасних лампових підсилювачів, які претендують на категорію Hi-End. Недоліком підсилювачів класу А є низький ККД: зазвичай не більше 10%.
Це означає, що підсилювач з вихідною потужністю 50 Вт буде безперервно споживати від домашньої мережі 500 Вт електричної потужності. Вся потужність, не перетворена в звукові коливання, виділяється на компонентах підсилювача (транзистори, лампи, резистори і т. Д.) У вигляді тепла. Стереофонічний підсилювач класу Л з потужністю по 50 Вт на канал перетворюється за своєю теплової ефективності в електроплитку або електрокалорифер.
З цієї причини підсилювачі класу А часто проектують з потужністю не більше 10 Вт на канал. Вихідний каскад, що працює в класі А, містить єдиний активний елемент. Тому такий вихідний каскад часто називають однотактних. Іноді для збільшення вихідної потужності в однотактний підсилювачах застосовують 2 або 3 однакових елемента, з'єднаних паралельно.
В підсилювачі з вихідним каскадом, що працюють в класі А, через вихідну лампу або вихідний транзистор постійно протікає максимальний струм. При подачі корисного сигналу на вхід цього каскаду (сітка лампи, затвор або база транзистора) електричні характеристики активного елементу змінюються. Це призводить до перерозподілу струму, споживаного від джерела живлення, між вихідним каскадом і підключеним до нього гучномовцем.
Підсилювач класу В
Оскільки в підсилювачі потужності основна потужність споживається крайовим каскадом, змінюючи режим роботи цього каскаду, можна значно зменшити загальну споживану потужність. Такий підхід застосовується для побудови двотактних підсилювачів.
У вихідному каскаді двотактного підсилювача міститься мінімум два активних елемента, один з яких підсилює тільки позитивну, а другий - тільки негативну компоненти вхідного сигналу.
В такому каскаді при відсутності сигналу струм через вихідні транзистори або лампи взагалі не протікає. Двотактний каскад найбільш легко реалізується за допомогою транзисторів з різним типом провідності (електронного і діркового типу). Пару ідентичних за характеристиками, але різних за типом провідності транзисторів називають комплементарними.
На жаль, комплементарних пар ламп не існує, так як всі лампи використовують виключно електрони, на відміну від напівпровідникових приладів, де можлива т. Н. діркова провідність за рахунок спрямованої міграції вакансій в електронній підсистемі кристала.
Тому реалізація двотактного каскаду на лампах вимагає застосування спеціальних вихідних трансформаторів з симетричними обмотками. Підсилювач з двотактним вихідним каскадом, що працюють в зазначеному режимі, називають підсилювачем «класу В». По-англійськи двотактний підсилювач називають «push-pull amplifier» (буквально - «тягни-штовхай»).
Підсилювачі класу АВ
Різновид підсилювача класу В з невеликим (менше 10% від максимального) початковим струмом вихідного каскаду для зменшення спотворень називають підсилювачем «класу АВ». До цього класу належить переважна більшість всіх промислових транзисторних підсилювачів, а також лампових підсилювачів потужністю понад 20 Вт.
Типове значення ККД підсилювача класу В або АВ становить приблизно 50%. Тобто, підсилювач, який чи в навантаження 50 Вт потужності, споживає 100 Вт від домашньої мережі. Підкреслимо: у момент появи сигналу. При відсутності сигналу і при його малих значеннях споживана потужність задається струмом спокою вихідних елементів і може становити від 1 до 10% від максимальної корисної потужності. Таким чином, двотактні підсилювачі класу В або АВ виявляються набагато економічніше підсилювачів класу А.
Двотактний вихідний каскад при високій симетрії «плечей» забезпечує придушення в вихідному сигналі парних гармонік. Це істотно знижує загальний коефіцієнт нелінійних спотворень в порівнянні з однотактним підсилювачами. Зниження рівня гармонік відбувається, головним чином, за рахунок придушення другої гармоніки, домінуючою зазвичай в спектрі спотворень «однотактніков». іноді в двотактних підсилювачах класу АВ використовують велике значення струму спокою, переводячи підсилювач в клас А для малих сигналів, відповідних вихідної потужності близько 1 Вт.
Багато експертів відзначають особливу важливість якості «першого вата» для підвищення природності звуковідтворення. Важливість першого вата пов'язана з тим, що при типовою чутливості головки гучномовця на рівні 90 дБ / Вт потужності в 1 Вт досить для комфортного прослуховування тихою (камерної, джазової) музики. У рекламних цілях деякі виробники оголошують підсилювачі такого типу підсилювачами класу А, що не зовсім вірно, якщо не уточнюється до якого рівня потужності дійсно зберігається режим класу А.
Підсилювачі класу D, G, H, T
Існують і інші класи підсилювачів, призначені для посилення звуку з максимально можливим ККД. Вони позначаються буквами D, G, Н, Т. В високоякісної апаратурі такі типи підсилювачів не використовуються.
При цьому деякі з них можуть мати об'єктивно високі параметри (наприклад, низьке значення коефіцієнта нелінійних спотворень). Підсилювачі класу Н у вигляді потужних інтегральних схем використовуються в деяких конструкціях автомобільних сабвуферів. Підсилювачі класу D використовують широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ): перетворення сигналу на вході в послідовність коротких імпульсів різної тривалості і зворотне відновлення на виході підсилювача.
Кілька років тому з'явилися ШІМ-підсилювачі з позначенням «клас Т» у вигляді потужних інтегральних схем і були розрекламовані як високоякісні системи. Автор цієї книги придбав такий підсилювач. При напрузі живлення 12 В підсилювач віддавав в навантаження до 10 Вт потужності, розсіюючи на корпусі мікросхеми всього 1 Вт (т. Е. ККД близько 90%!). Однак звучання підсилювача якісним назвати не можна: при прослуховуванні створюється враження, що крім музики в приміщенні безперервно працює розпилювальний аерозольний балончик.
мостові підсилювачі
Для підвищення потужності (в 2-4 рази) при постійній напрузі джерела живлення іноді застосовують мостове включення двох повноцінних підсилювачів. У цьому випадку на вхід кожного підсилювача подаються в протифазі дві повні копії вхідного сигналу, а на навантаженні вихідні напруги складаються, що і забезпечує в ідеалі 4-кратне збільшення вихідної потужності. Для формування двох протифазних копій вхідного сигналу є потреба у додатковому каскад. У мостовому підсилювачі так само, як і в двотактному вихідному каскаді, придушуються парні гармоніки.
Мостові підсилювачі широко використовуються в автомобільній аудіотехніки, дозволяючи отримувати до 50 Вт вихідної потужності на навантаженні 2-4 Ом при напрузі живлення 14 В. На думку автора цієї книги, сфера застосування мостових підсилювачів не повинна обмежуватися низьковольтними пристроями. Мостові підсилювачі добре звучать, і досягається це, мабуть, не стільки за рахунок зниження рівня парних гармонік, скільки через виключення зв'язку силовий «землі» з навантаженням. У мостовій схемі котушка гучномовця підключається безпосередньо до двох «гарячих», т. Е. «Неземляним» клем кожного з підсилювачів. Як відомо, гальванічна зв'язок сигнальної і силовий «землі» породжує перешкоди, пов'язані з впливом перехідних процесів на виході підсилювача на форму сигналу на його вході.
Зворотній зв'язок
В абсолютній більшості транзисторних підсилювачів досягнення високих об'єктивних (т. Е. Вимірюваних за допомогою електронних приладів) характеристик (НЕ звучання, а саме характеристик) досягається застосуванням глибокої загальної негативного зворотного зв'язку (ООС), що охоплює повністю підсилювач потужності із вхідними чутливістю близько 1 В. альтернативний підхід, прихильником якого є і автор цієї книги, полягає у відмові від загальної ООС в аудіокоректор. Тому, крім класифікації за режимом роботи кінцевого каскаду (клас А, В, і т. Д.), Підсилювачі класифікують ще й за наявності-відсутності загальної ООС.Все рекомендовані лампові каскади працюють в класі А. А ось для кінцевих транзисторних каскадів будуть запропоновані варіанти як класу А, так і класу АВ.
останні повідомлення
Популярні повідомлення