1. Казакевич  А. Усилители мощности компании ICEpower: качество класса AB и экономичность класса D. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2013. № 8.
2. www.sound-power.ru
3. www.icepower.dk

Классы усилителей мощности

Автомобильная аудиосистема при всем своем отличии от домашней состоит из тех же самых компонентов. Разница только в упаковке. Помимо источника сигнала (тюнера, магнитофона, CD- или MD-проигрывателя) в составе любой аудиосистемы обязательно присутствует усилитель — малозаметный, но очень важный компонент. Эта статья — не учебник и не справочник, поэтому материал упрощен, без лишних формул. Хотя изложение ведется применительно к автомобильным усилителям, материал не ограничивается этими рамками…

Основная проблема при создании автомобильной аудиосистемы состоит в оптимальном согласовании всех компонентов по характеристикам (уровням сигналов, мощности, чувствительности и т.д.). В одних случаях владельцу автомобильной аудиосистемы достаточно встроенного усилителя головного аппарата, в других случаях необходимо использовать дополнительный усилитель — конкретное решение зависит от поставленной задачи. Конечно, в каждом случае решение требуется свое, но производители автомобильной техники придерживаются определенных стандартов и стыковка компонентов обычно не вызывает проблем. При использовании головного аппарата в &quotгордом одиночестве&quot (конечно, совместно с качественными динамиками) проблем обычно не возникает, но иногда они могут возникнуть при создании системы из нескольких компонентов.

Усилители мощности (оконечные усилители) предназначены для увеличения мощности звуковых сигналов до такого уровня, чтобы они могли возбуждать громкоговорители. Принцип работы усилителя состоит в том, что они преобразуют подводимую к ним от источника питания мощность постоянного тока в переменный ток в нагрузке, причем форма сигнала на выходе полностью повторяет сигнал на входе. При этом усилитель должен обеспечить минимальные искажения сигнала и высокий КПД. Если в домашних аудиосистемах решение этих задач представляет определенные сложности, то в автомобильных выливается в проблемы буквально вселенского масштаба.

Характеристики усилителей. Основные определения. Мостовое включение.

Теперь настало время поговорить о характеристиках усилителей. И, хотя взаимосвязь между объективно измеренными параметрами и субъективно воспринимаемым звучанием заметна мало, на сегодняшний день другого способа &quotзаочной&quot оценки и сравнения усилителей пока не придумано. Следующий этап — сопоставительное прослушивание, и тут возникает парадокс — звучание усилителя с худшими показателями нередко оказывается более приятным. Чуть позже мы вернемся к этой теме.

Выходной каскад усилителя мощности служит усилителем тока и согласует предварительные каскады с низкоомной нагрузкой. Основные характеристики выходного каскада — его выходная мощность, мощность рассеяния, потребляемая мощность и коэффициент полезного действия (КПД). КПД показывает эффективность работы усилителя (какая часть потребляемой выходным каскадом мощности передается в нагрузку). Мощность рассеяния — это мощность потерь в выходном каскаде, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Величина мощности рассеяния и КПД зависят от класса работы усилителя (об этом далее) и уровня сигнала. Эти показатели связаны следующими соотношениями:

Минимальная спецификация любого усилителя (не только автомобильного) должна включать номинальную и максимальную мощности и коэффициент гармоник, для полноты картины полезно знать и коэффициент интермодуляционных искажений. В последнее время наряду с этими параметрами иногда используется и спектр искажений.

Максимальную выходную мощность можно реализовать в том случае, когда размах напряжения сигнала становится равным напряжению питания. На практике это невозможно, так как свойственное транзисторам напряжение насыщения (~0,5…1,5 В для биполярных и ~2…5 В для большинства полевых в линейном режиме) не позволяет доводить напряжение сигнала до напряжения питания. Это особенно актуально при низких напряжениях питания, т.е. при использовании встроенных усилителей головных аппаратов. По этой причине они до недавнего времени выполнялись только на биполярных транзисторах. Полевые транзисторы, сохраняющие высокую линейность при низких напряжениях, появились относительно недавно.

Дополнительные усилители имеют встроенные преобразователи напряжения, обеспечивающие напряжение питания выходного каскада несколько десятков вольт и для них это обстоятельство не так существенно. Поэтому выходные каскады дополнительных усилителей часто выполняются на полевых транзисторах — качество звучания у них заметно выше, чем у биполярных, а сами усилители проще и надежнее. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева — с увеличением температуры кристалла ток транзистора уменьшается.

Наиболее простой способ увеличить выходную мощность при неизменном напряжении питания — снизить сопротивление нагрузки. Однако у этого способа есть недостатки:

Другой способ увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания — включить его по мостовой схеме (рис.1.). Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.

Наряду с достоинством — большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь — повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно — выходные сопротивления усилителей сложились.

Выходы встроенных усилителей головных аппаратов имеют потенциал Uпит/2 относительно массы. Поэтому случайное замыкание нагрузки на массу приводит к выходу усилителя из строя, если он не имеет систем защиты. Впрочем, к звуку это уже имеет весьма отдаленное отношение, об этом нужно помнить при монтаже. Однако это свойство можно использовать. Так, входы высокого уровня дополнительных усилителей нередко оборудованы датчиком напряжения, и постоянное напряжение на выходе головного устройства используется как сигнал включения дополнительного усилителя.

Что скрывается за выходной мощностью. Импеданс громкоговорителей. Компенсатор Цобеля-Буше. Стандартный эквивалент нагрузки.

Многие производители указывают для усилителя колоссальную мощность: 100, 200 и более ватт на канал. При этом необходимо иметь в виду, что это PMPO (пиковая мощность), для реализации которой необходимо, как минимум, использовать в блоке питания батарею конденсаторов большой емкости (из расчета ~1000 мкФ на каждый ватт максимальной выходной мощности). Как уже указывалось, оценить громкость звучания по этой характеристике невозможно. Мощность дополнительных усилителей ограничивается, главным образом, возможностями источника питания (способностью отдавать большой ток без снижения выходного напряжения). Мощность усилителей головных аппаратов ограничивается напряжением питания и с учетом потерь на выходных транзисторах не превышает указанных в таблице значений.

Усилители мощности современных головных аппаратов выполняются исключительно на микросхемах, дополнительные усилители — как правило, на дискретных компонентах, хотя встречаются исключения из этого правила. В головных аппаратах подразумевается использование акустики с импедансом 4 Ом, но некоторые модели в состоянии работать на нагрузку 2 Ом (это оговаривается особо). Впрочем, подобные исключения достаточно редки. С другой стороны, для современных дополнительных усилителей нагрузка 2 Ом или даже 1 Ом — обычное явление.

С мощностью наконец разобрались. Но тут есть прямо-таки фарисейская уловка. Дело в том, что номинальная и максимальная выходная мощность усилителя измеряется на активной нагрузке при подаче на вход синусоидального сигнала. В действительности же усилители работают на комплексную нагрузку, обладающую помимо активного сопротивления и емкостью, и индуктивностью. Да и в реальном музыкальном сигнале трудно найти что-нибудь, хотя бы отдаленно напоминающее синусоиду. Чтобы оценить взаимодействие усилителя и нагрузки, необходимо учитывать зависимость импеданса нагрузки от частоты.

Импеданс (полное электрическое сопротивление) громкоговорителей имеет максимумы и минимумы. В области средних частот он имеет минимум, равный примерно половине активного сопротивления звуковой катушки динамика, и максимум вблизи частоты резонанса подвижной системы. Импеданс в зоне резонанса превышает номинальный в несколько раз. Увеличивается он и с ростом частоты — сказывается индуктивность обмотки звуковой катушки.

Для компенсации индуктивной составляющей импеданса применяется компенсатор Цобеля-Буше. Он представляет собой последовательную RC-цепь, подключаемую параллельно динамику. В результате импеданс нагрузки становится практически активным и не зависящим от частоты. Емкость конденсатора определяется индуктивностью звуковой катушки динамика и в большинстве случаев составляет ~10-20 мкФ. Особенно оправдано включение компенсатора в состав пассивных разделительных фильтров — стабилизация нагрузки фильтра улучшает его частотную характеристику.

При воспроизведении реальных музыкальных сигналов, имеющих импульсный характер, за счет влияния нагрузки возникают значительные скачки тока и напряжения, приводящие к перегрузке выходного каскада усилителя. За счет реактивных токов в цепи нагрузки мощность рассеяния в выходном каскаде может многократно превышать мощность, потребляемую усилителем от источника питания. Емкость создает бросок тока, а индуктивность — выброс напряжения при резком изменении сигнала. Для испытаний усилителей в условиях, приближенных к реальным применяется стандартный эквивалент нагрузки. Схема в основном имитирует резонанс низкочастотных динамиков.

Работа усилителя на комплексную нагрузку. Основные требования к усилителям мощности.

Особенно сложной и трудно предсказуемой становится работа усилителя на многополосные акустические системы, снабженные сложными пассивными разделительными фильтрами (кроссоверами). Их импеданс достаточно сильно изменяется в рабочем диапазоне частот. Нагрузка на выходной каскад усилителя в этом случае значительно возрастает. Например, при выходной мощности усилителя 100 Вт и нагрузке 8 Ом ток сигнала на выходе составляет 5 А при активной нагрузке и 28 А при комплексной нагрузке, что почти в шесть раз больше. Поэтому ясно, что усилитель должен быть в состоянии отдать в нагрузку значительный ток без искажений формы сигнала и вредных для себя последствий. По той же причине сильное влияние на звучание системы оказывают соединительные провода между усилителем и динамиками — именно по ним циркулируют реактивные токи. Если сечение провода недостаточно, значительная часть мощности усилителя будет теряться в проводах. Поэтому выбор проводов — достаточно серьезный вопрос.

Основные требования к усилителям мощности и их установке можно кратко сформулировать следующим образом:

• Выходные каскады должны обладать большой перегрузочной способностью по току. Это позволит без искажений воспроизвести пики сигнала.
• В схеме усилителя должны быть предусмотрены средства защиты выхода от перегрузок по току (автоматические предохранители), а также защита АС при выходе усилителя из строя. Для автомобильных усилителей необходимы устройства защиты от перегрева.
• Желательно обеспечить возможно более высокий КПД — это снизит нагрузку на аккумулятор и генератор и нагрев усилителя.
• Крайне желательно использование сглаживающих конденсаторов большой емкости, установленных в непосредственной близости от усилителя. Конденсатор играет роль фильтра и дополнительного источника питания на пиках мощности. Емкость конденсатора выбирается из соотношения ~1000мкФ на каждый ватт мощности усилителя.
• Монтаж цепей питания и, особенно, выходных цепей должен быть выполнен проводами правильно подобранного сечения. Чем больше потребляемый ток и длина провода, тем больше должно быть его сечение.
• Обеспечение требований помехозащищенности. Это требование относится уже к входящему в состав автомобильных усилителей высокочастотному преобразователю напряжения питания, который фактически представляет собой достаточно мощный передатчик.

Основные классы усилителей — A, B, AB. Сравнительные характеристики.

Как уже говорилось, усилитель мощности должен сочетать высокую выходную мощность с малыми искажениями и высоким КПД. К сожалению, при повышении КПД обычно увеличиваются искажения сигнала. Выходные каскады транзисторных усилителей мощности выполняются исключительно по двухтактной схеме на полевых или биполярных транзисторах. Однотактные усилители типа Pass Zen — экзотика, в автомобиле мало применимая. Полевые транзисторы используются при высоких напряжениях питания и сами по себе вносят малые искажения в сигнал, но КПД усилителя несколько ниже, чем при использовании биполярных транзисторов. Зато у биполярных искажения больше — как всегда, палка о двух концах.

Существует три основных режима работы выходного каскада &quotзвукового&quot усилителя — A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.

• В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала — и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.
• В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов — каждый из них усиливает свою &quotполовинку&quot сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства — при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь.
• Режим AB — попытка примирить волков и овец. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность — удовлетворительная.

Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B. Подробно об этом далее.

Другие классы усилителей
(A+, SuperA, G, DLD, H)

За все надо платить. Плата за малые искажения &quotчистого&quot класса A непомерна. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается внушительными радиаторами. Стереоусилитель мощностью 100 Вт на канал превращается в скромный электрокамин мощностью 400 Вт, который чем тише звучит, тем больше греется. В квартире камин не помеха, но в машине нужен только зимой. А экономичные усилители класса B явно проигрывают по качеству звучания и не устроят придирчивого меломана. Компромиссные усилители в режиме AB мечутся в поисках &quotзолотой середины&quot между экономичностью и качеством звучания. Замкнутый круг.

Выход был найден достаточно неожиданный — совместить два усилителя в одном так, чтобы и волки были сыты, и овцы целы. Так в начале 80-х появились усилители класса A+. По качеству звучания они приближаются к усилителям класса A, а по экономичности — к AB. Цена такого достижения немалая — усилитель стал практически вдвое сложнее (и существенно дороже).

Принцип работы усилителей класса A+ заключается в использовании управляемого источника питания. Выходной каскад класса A работает от &quotплавающего&quot (не связанного с &quotземлей&quot) источника низкого напряжения (обычно ±5 вольт), поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка &quotплавающего&quot источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от &quotнормального&quot источника достаточно высокого напряжения (несколько десятков вольт). За счет совместного использования двух усилителей достигается и качество, и экономичность. Коэффициент гармоник не превышает обычно 0,003%.

Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение — нужно запретить транзисторам запираться. Этим занимается специальная схема. Так появились усилители класса SuperA или non-switching. Качество звучания и экономичность практически такие же, как и у A+, но конструкция существенно проще, поэтому старый вариант быстро сошел со сцены.

Не думайте, что разнообразие классов усилителей на этом закончилось. Битва за КПД привела к рождению монстров с коммутируемым выходным каскадом и управляемым источником питания. Самый простой вариант — усилитель класса G. В нем используется сдвоенный выходной каскад в режиме AB или B и два источника питания разного напряжения. При малой мощности (до 25-30% максимальной) работает только малосигнальная половина выходного каскада с низким напряжением питания, на пиках сигнала она передает свои функции оставшейся половине с повышенным напряжением питания. Экономичность каскада выше, чем в режиме В, искажения несколько меньше.

Дальнейшим развитием этой схемы стал каскад с динамическим линейным возбуждением (DLD, Dynamic Linear Drive). Принцип его работы практически такой же, но для снижения переходных искажений мощный высоковольтный каскад вступает в работу до того, как исчерпает свои возможности маломощный. Для реализации этого режима используется специальная схема управления. Применялись также усилители с управляемым источником питания, напряжение которого зависело от уровня сигнала.

Сущность режима G в том, что два каскада работают при разных напряжениях питания. Пока амплитуда входного сигнала не превышает напряжение питания малосигнального каскада T1T1′, в работе участвует только он. Диоды D1D1′ защищают от пробоя обратным напряжением переход база-эмиттер транзисторов T2T2′. При дальнейшем росте входного напряжения они отпираются. При этом диоды D3D3′ защищают источник низковольтного питания от броска тока. Диоды D2D2′ запрещают транзисторам T1T1′ перейти в состояние насыщения раньше, чем откроются транзисторы T2T2′, что снижает возникающие при этом процессе переходные искажения. В этой схеме они возникают на фоне достаточно больших полезных сигналов, что позволяет эффективно бороться с ними при помощи отрицательной обратной связи.

Как уже стало понятно, все эти ухищрения достаточно сложны конструктивно и поэтому даже в пору расцвета встречались в домашних аудиосистемах редко. В автомобильных усилителях эти решения как-то не прижились — тогда было еще рано, а теперь уже поздно. Теперь особые надежды возлагаются на импульсные (&quotцифровые&quot) усилители, о которых пойдет речь далее.

Но есть один класс усилителей, рожденный специально для автомобилей. Это класс H. Толчком для разработки этих усилителей послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала.

К сожалению, радоваться рано. Производители аппаратуры сообщают только эти цифры, умалчивая о главном. Максимальная мощность усилителей класса H зависит от емкости накопительных конденсаторов и частоты сигнала. Чем меньше емкость конденсаторов, тем меньше запас мощности на низких частотах, то есть как раз там, где она особенно нужна. Совершенно очевидно, что упрятать батарею конденсаторов внушительной емкости внутрь стандартного корпуса DIN практически невозможно, поэтому заявленная производителями мощность обеспечивается лишь на средних и высших частотах.

В качестве итога — сравнительные характеристики усилителей различных типов:

Цифровые усилители.

Строго говоря, правильно было бы называть их импульсными усилителями, но параллели &quotаналоговый-цифровой&quot уже сработали, и термин принят de facto, хотя и не признан официально.

В конце концов под натиском цифровой техники стали отступать даже усилители, традиционно работавшие только с аналоговыми сигналами. Идея, положенная в основу усилителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — иначе говоря, усилителей класса D, известна еще с конца 50-х годов. Однако создание действительно пригодных для высококачественного звуковоспроизведения конструкций стало возможным лишь в середине 80-х после появления соответствующей элементной базы.

В усилителях класса D возможен режим непосредственного усиления цифровых сигналов без их преобразования в аналоговую форму. Когда аудиосигнал уже представлен в цифровом виде, информацию о величине сигнала и необходимом для его усиления напряжении питания можно получить заранее. Это используется в некоторых конструкциях, так что идея управления напряжением питания получила вторую жизнь.

Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Затем последовательность прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. Фильтр НЧ на выходе выделяет полезный сигнал, подавляя при этом несущую частоту, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции. КПД этих усилителей доходит до фантастической цифры 92-95%. Это преимущество особенно проявляется при усилении сигналов малого уровня. Однако искажения сигналов малого уровня больше, чем среднего. Коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%.

Усилители класса D, подобно их аналоговым собратьям, тоже разделяются на классы. Основное разделение идет по количеству уровней выходных импульсов:

• два уровня (+U и — U) — режим AD
• три уровня (+U, 0 и -U) — режим BD

Усилители в режиме AD подобны аналоговым усилителям класса A — потребляют значительный ток покоя. В режиме BD ток покоя отсутствует. Что же касается искажений, то они при прочих равных условиях зависят от способа модуляции и вида модулирующего сигнала.

• односторонняя модуляция: смещается во времени только один фронт импульсов (передний или задний)
• двухсторонняя модуляция: смещаются во времени оба фронта импульсов симметрично относительно момента тактирования

Модулирующие сигналы могут быть двух видов:

• непосредственно аналоговый сигнал (случайная дискретизация). Дополнительные искажения не возникают.
• сигнал после схемы выборки-хранения (фиксированная дискретизация). Изменения формы импульсов приводят к дополнительным нелинейным искажениям сигнала.

В случае цифровых входных сигналов (от CD-проигрывателей, MD-магнитофонов, систем цифрового вещания, которых у нас пока нет) в работу вступает цифро-цифровой преобразователь &quotкод — длительность&quot. Такое преобразование выполняется путем многократной передискретизации и перехода от 16 разрядов к одному (BitStream). Полученный на его выходе сигнал подается на вход усилителя мощности, и далее — на фильтр НЧ. Возможно применение цифровой обратной связи.

В случае аналоговых входных сигналов преобразование амплитуды сигнала в длительность импульса происходит в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ). Скважность (отношение длительности импульсов к периоду следования) пропорциональна амплитуде полезных сигналов. Входной сигнал сравнивается компаратором с опорным сигналом пилообразной (при односторонней модуляции) или треугольной формы (при двусторонней модуляции). Кроме того, двухсторонняя ШИМ может быть реализована при симметричном смещении фронтов относительно одного периода дискретизации (один отсчет) или по двум периодам (два отсчета), что позволяет вдвое снизить эффективную тактовую частоту. Частота опорного сигнала (частота дискретизации) должна, согласно теории, превышать максимальную частоту сигнала не менее, чем в 2 раза. Практически для облегчения фильтрации и снижения искажений частота дискретизации выбирается не ниже 500 килогерц, а в последних моделях измеряется уже многими мегагерцами. Сигнал на выходе компаратора имеет форму прямоугольных импульсов с частотой дискретизации, ширина которых пропорциональна мгновенным значениям входного сигнала. Для снижения искажений в усилителях с аналоговым входом обычно применяется отрицательная обратная связь по звуковому сигналу.

В целом выводы таковы:

• В режиме AD искажения меньше, чем в режиме BD.
• В режиме AD КПД хуже, чем в BD.
• Двухсторонняя модуляция лучше односторонней, поскольку при этом отсутствуют четные гармоники.
• Повышение частоты дискретизации уменьшает нелинейные искажения.

Помимо усилителей класса D к группе цифровых относится и новая разработка фирмы Tripath Technology — усилители класса T. Алгоритм их работы аналогичен, но частота дискретизации не постоянна, а зависит от частоты и уровня входных сигналов. Поскольку изменяется как частота, так и период следования выходных импульсов, можно предположить, что используется одна из разновидностей дельта-модуляции.

Можно сказать: Да здг’авствуют цифг’овые усилители — за ними будущее !!!.

Автор: А.И.Шихатов 2002, Источник: «Мастер 12вольт» №39 (февраль-март 2002)

PA-6336 усилитель мощности — Усилители мощности

Трансляционный усилитель мощности, 360 Вт

Назначение: усилитель мощности  предназначен для работы в системах оповещения и трансляции. Устройство усиливает сигнал линейного уровня до напряжения 70 или 100В. Предусмотрена возможность подключения к усилителю низкоомной нагрузки.

Основные особенности PA-6336:

• Выходной каскад усилителя мощности работает в классе AB. Это обеспечивает высокую номинальную мощность при низком коэффициенте нелинейных искажений, что является для аналоговых усилителей хорошим показателем коэффициента полезного действия.
• Трансляционный усилитель имеет развитую и эффективную защиту от перегрузки по входу и по выходу, от короткого замыкания на линии, от превышения допустимой температуры.
• Блок  рассчитан на круглосуточную работу и обладает высокой надежностью.
• В устройстве предусмотрены симметричный линейный вход для подключения источников аудио сигнала и симметричный линейный выход для возможности каскадного включения нескольких усилителей. С помощью регулятора на задней панели устанавливается необходимый уровень входного сигнала. Это позволяет избежать искажений, связанных с ограничением сигнала. За счет того, что вход является балансным с разъемом типа XLR, обеспечивается подавление помех, которые наводятся на соединительном кабеле.
• Питание блока  осуществляется от сети 220 В 50 Гц. Дополнительно предусмотрены клеммы для подключения внешних аккумуляторных батарей резервного питания. При пропадании напряжения в сети, усилители автоматически переключается на резервное питание.

Основные функции:

• Усилители  обеспечивают 120, 240, 360 Вт номинальной выходной мощности, соответственно, при коэффициенте нелинейных искажений менее 1%. Усилитель PA-6348 обеспечивает 480 Вт номинальной выходной мощности при коэффициенте нелинейных искажений менее 5%.
• В устройстве предусмотрена возможность подключения аккумуляторных батарей напряжением 24 В для резервирования питания. В случае пропадания напряжения в сети 220 В 50 Гц, усилитель автоматически переключится на резервное питание.
• В усилителях предусмотрены симметричные балансные вход и выход с разъемом типа XLR, что позволяет обеспечить эффективное подавление электромагнитных помех, наводимых на соединительных кордах.
• С помощью регулятора на задней панели устройства возможно управление уровнем входного сигнала, позволяющее избежать искажений, вызванных перегрузкой по входу и появления искажений, связанных с ограничением входного сигнала.
• Отключаемый фильтр высоких частот обеспечивает эффективное подавление сетевых частот. Частота среза составляет 400 Гц.
• В зависимости от температуры внутри усилителя, ступенчато изменяется скорость вращения вентилятора системы охлаждения.
• Усилитель имеет развитую систему защиты от превышения температуры и от перегрузки по входу и выходу.

Технические характеристики:

Характеристики PA-6336:

• Тип усилителя: Усилитель
• Номинальная мощность на канал (Вт): 360
• Производитель: Inter-M
• Кол-во каналов оповещения: 1
• Полоса частот (Гц) >: 70
• Полоса частот (Гц) 18000
• Класс усилителя мощности: Аналоговый (класс AB)
• Радиотюнер: Нет
• Стандарт линии оповещения: 100 В, 70 В, 4 Ом
• Формат аудио: Нет
• Формат звуковых носителей: Нет

Задайте вопрос специалисту о PA-6336 усилитель мощности

* Срок доставки указан для товара в наличии на складе в Москве

Ваш отзыв может быть первым!

Путаница между усилителями класса B и класса AB

Класс A = оба транзистора включены.

Класс AB = оба транзистора включены на холостом ходу, затем до определенного выходного тока. Когда выходной ток выше определенного предела, один из транзисторов отключается.

Класс B = один транзистор или другой включен, но не оба. Включенный транзистор определяется полярностью выходного тока.

Класс C = либо один транзистор включен, либо другой включен, либо оба выключены. то есть, во время части цикла они оба выключены и выходной ток не протекает. Это можно использовать, если нагрузка представляет собой настроенную цепь (которая возбуждается основной и отклоняет гармоники) или двигатель, соленоид и т. Д. Использование этого режима преднамеренно, целью является высокая эффективность. Термин «класс C» также применяется к усилителю мощности с одним транзистором, если транзистор проводит менее половины (180 °) цикла.

Обратите внимание, что класс B на самом деле не существует. Поскольку пороговые напряжения транзисторов меняются в зависимости от процесса и температуры, на практике вы никогда не сможете достаточно точно отрегулировать напряжения смещения, чтобы получить класс B. Вы также получите класс AB, если смещение затвора немного велико, и произойдет некоторое перекрытие проводимости. или, если смещение затвора немного низкое, вы получите класс C, когда оба транзистора отключены во время части цикла.

Класс C значительно увеличивает искажения кроссовера, поэтому не рекомендуется, если вы заботитесь об искажении. Однако у него есть преимущество: ток не теряется, и оба транзистора не работают. Так что, если приложение не заботится о перекрёстном искажении, это хороший выбор.

Кроме того, когда один считает транзистор быть «выключен» немного спорно, он выключен, когда ток 1мА? или 1 мкА? или ток утечки? Или незначительный ток относительно выходного тока? …

Так или иначе. Последняя схема (без источников напряжения для смещения ворот) зависит от порогового напряжения вашего FET.

Например, это может быть класс AB, если вы используете JFET, которые включены, когда Vgs = 0V.

Если вы используете МОП-транзисторы, для которых требуется включение Vgs нескольких вольт (Vgsth), чтобы начать включение, то на холостом ходу оба полевых транзистора выключены, и вам нужно переместить входное напряжение как минимум на один Vgsth вверх или вниз, чтобы включить один полевой транзистор. Так что это класс C.

Добавление источников напряжения смещения затвора (как в первой схеме) сделало бы его классом AB, если смещение достаточно велико, чтобы включить оба транзистора на холостом ходу (нулевой выходной ток).

класса AB и смещение класса AB

Назначение любого усилителя — создать выходной сигнал, соответствующий характеристикам входного сигнала, но достаточно большой, чтобы удовлетворить потребности подключенной к нему нагрузки.

Мы видели, что выходная мощность усилителя является произведением напряжения и тока (P = V * I), приложенного к нагрузке, в то время как потребляемая мощность — это произведение напряжения постоянного тока и тока, взятого из источника питания. .

Хотя усиление усилителя класса A (где выходной транзистор проводит 100% времени) может быть высоким, эффективность преобразования из источника питания постоянного тока в выходную мощность переменного тока обычно низка и составляет менее 50%.

Однако, если мы модифицируем схему усилителя класса A для работы в режиме класса B (где каждый транзистор проводит только 50% времени), ток коллектора течет в каждом транзисторе только в течение 180 ^— цикла. Преимущество здесь состоит в том, что эффективность преобразования постоянного тока в переменный намного выше и составляет около 75%, но эта конфигурация класса B приводит к перекрестным искажениям выходного сигнала, которые могут быть неприемлемыми.

Одним из способов создания усилителя с высокоэффективным выходом конфигурации класса B и низким уровнем искажений конфигурации класса A является создание схемы усилителя, которая представляет собой комбинацию двух предыдущих классов, что приводит к новому типу схемы усилителя. называется Class AB Amplifier .

Тогда выходной каскад усилителя класса AB сочетает в себе преимущества усилителя класса A и усилителя класса B, сводя к минимуму проблемы низкого КПД и связанных с ними искажений.

Как мы уже говорили выше, усилитель класса AB представляет собой комбинацию классов A и B в том смысле, что для выходов малой мощности усилитель работает как усилитель класса A, но заменяется усилителем класса B для выходов большего тока. Это достигается предварительным смещением двух транзисторов в выходном каскаде усилителя.

Таким образом, каждый транзистор будет проводить от 180 ^до до 360 ^до времени в зависимости от величины выходного тока и предварительного смещения. Таким образом, выходной каскад усилителя работает как усилитель класса AB.

Сначала давайте посмотрим на сравнение выходных сигналов для разных классов работы усилителя.

Сравнение различных классов усилителей

Тогда классы усилителя всегда определяются следующим образом:

• Класс A: — Один выходной транзистор усилителя проводит все 360 ^— цикла входной формы волны.
• Класс B: — Усилители с двумя выходными транзисторами проводят только половину, то есть 180 ^o входного сигнала.
• Class AB: — Усилители с двумя выходными транзисторами проводят где-то между 180 ^o и 360 ^o входного сигнала.

Работа усилителя класса A

Для работы усилителя класса A точка Q переключающего транзистора расположена рядом с центром выходной характеристической линии нагрузки транзистора и в пределах линейной области.Это позволяет транзистору проводить полные 360 ^o , поэтому выходной сигнал изменяется в течение полного цикла входного сигнала.

Основным преимуществом класса A является то, что выходной сигнал всегда будет точным воспроизведением входного сигнала, уменьшая искажения. Однако он страдает низким КПД, потому что для смещения транзистора в центре линии нагрузки всегда должен протекать подходящий постоянный ток покоя, протекающий через переключающий транзистор, даже если нет входного сигнала для усиления.

Работа усилителя класса B

Для работы усилителя класса B используются два дополнительных переключающих транзистора с точкой Q (то есть точкой смещения) каждого транзистора, расположенной в его точке отсечки.

Это позволяет одному транзистору усиливать сигнал на одной половине входной формы волны, в то время как другой транзистор усиливает другую половину. Эти две усиленные половины затем объединяются вместе в нагрузке для создания одного полного цикла формы волны. Эта дополнительная пара NPN-PNP также известна как двухтактная конфигурация.

Из-за смещения отсечки ток покоя равен нулю при отсутствии входного сигнала, поэтому мощность не рассеивается или не расходуется, когда транзисторы находятся в состоянии покоя, что увеличивает общую эффективность усилителя класса B по сравнению с классом. А.

Однако, поскольку усилитель класса B смещен так, что выходной ток течет через каждый транзистор только в течение половины входного цикла, форма выходного сигнала, следовательно, не является точной копией формы входного сигнала, поскольку выходной сигнал искажен.Это искажение происходит при каждом переходе через нуль входного сигнала, вызывая то, что обычно называется переходным искажением, когда два транзистора переключаются между собой.

Эту проблему искажения можно легко преодолеть, расположив точку смещения транзистора немного выше точки отсечки. Смещая транзистор немного выше его точки отсечки, но намного ниже центральной точки Q усилителя класса A, мы можем создать схему усилителя класса AB. Основная цель усилителя класса AB — сохранить базовую конфигурацию класса B и в то же время улучшить его линейность путем смещения каждого переключающего транзистора немного выше порогового значения.

Усилитель класса AB с смещением A

Итак, как нам это сделать. Усилитель класса AB может быть изготовлен из стандартного двухтактного каскада класса B путем смещения обоих переключающих транзисторов до слабой проводимости, даже если входной сигнал отсутствует. Такое небольшое смещение гарантирует, что оба транзистора проводят одновременно в течение очень небольшой части входного сигнала, более чем на 50 процентов входного цикла, но менее чем на 100 процентов.

Мертвая зона от 0,6 до 0,7 В (одно прямое падение напряжения на диоде), которая вызывает эффект кроссоверного искажения в усилителях класса B, значительно уменьшается за счет использования подходящего смещения.Предварительное смещение транзисторных устройств может быть достигнуто несколькими различными способами, используя либо заранее установленное смещение напряжения, либо схему делителя напряжения, либо используя последовательно соединенные диоды.

Смещение напряжения усилителя класса AB

Здесь смещение транзисторов достигается за счет использования подходящего фиксированного напряжения смещения, приложенного к базам TR1 и TR2. Затем есть область, где оба транзистора являются проводящими, и небольшой ток покоя коллектора, протекающий через TR1, сочетается с небольшим током покоя коллектора, протекающим через TR2 в нагрузку.

Когда входной сигнал становится положительным, напряжение на базе TR1 увеличивается, создавая положительный выходной сигнал аналогичной величины, что увеличивает ток коллектора, протекающий через TR1, подающий ток к нагрузке, R _L . Однако, поскольку напряжение между двумя основаниями является фиксированным и постоянным, любое увеличение проводимости TR1 вызовет равное и противоположное уменьшение проводимости TR2 в течение положительного полупериода.

В результате транзистор TR2 в конечном итоге выключается, оставляя транзистор TR1 с прямым смещением для передачи всего усиления по току на нагрузку.Точно так же для отрицательной половины входного напряжения происходит обратное. То есть TR2 проводит сток тока нагрузки, в то время как TR1 отключается, когда входной сигнал становится более отрицательным.

Затем мы можем видеть, что когда входное напряжение V _IN равно нулю, оба транзистора имеют слабую проводимость из-за их смещения напряжения, но когда входное напряжение становится более положительным или отрицательным, один из двух транзисторов проводит больше либо понижение источник тока нагрузки.

Поскольку переключение между двумя транзисторами происходит почти мгновенно и происходит плавно, перекрестные искажения, влияющие на конфигурацию класса B, значительно уменьшаются.Однако неправильное смещение может вызвать резкие скачки искажения кроссовера при переключении двух транзисторов.

Использование фиксированного напряжения смещения позволяет каждому транзистору проводить более половины входного цикла (работа класса AB). Однако иметь дополнительные батареи в конструкции выходного каскада усилителя не очень практично. Один очень простой и легкий способ получения двух фиксированных напряжений смещения для установки стабильной точки Q рядом с точкой отсечки транзистора — это использование цепи резистивного делителя напряжения.

Смещение резистора усилителя класса AB

Когда через резистор проходит ток, на резисторе возникает падение напряжения в соответствии с законом Ома. Таким образом, поместив два или более резистора последовательно через напряжение питания, мы можем создать сеть делителей напряжения, которая выдает набор фиксированных напряжений с выбранными нами значениями.

Базовая схема аналогична указанной выше схеме смещения напряжения в том, что транзисторы TR1 и TR2 проводят ток в течение противоположных полупериодов входного сигнала.То есть, когда V _IN in положительный, TR1 проводит, а когда V _IN отрицательный, TR2 проводит.

Четыре сопротивления с R1 по R4 подключены к источнику питания Vcc, чтобы обеспечить необходимое резистивное смещение. Два резистора, R1 и R4, выбраны для установки точки Q немного выше точки отсечки с правильным значением V _BE , установленным примерно на 0,6 В, так что падение напряжения в резистивной сети приводит к тому, что база TR1 достигает значения. около 0,6 В, а TR2 — примерно до –0.6В.

Тогда полное падение напряжения на резисторах смещения R2 и R3 составляет примерно 1,2 В, что чуть ниже значения, необходимого для полного включения каждого транзистора. При смещении транзисторов чуть выше точки отсечки значение тока покоя коллектора I _CQ должно быть равно нулю. Кроме того, поскольку оба переключающих транзистора эффективно соединены последовательно через источник питания, падение напряжения V _CEQ на каждом транзисторе будет примерно вдвое меньше Vcc.

В то время как резистивное смещение усилителя класса AB работает теоретически, ток коллектора транзисторов очень чувствителен к изменениям его базового напряжения смещения, V _BE .Кроме того, точка отсечки двух комплементарных транзисторов может не совпадать, поэтому поиск правильной комбинации резисторов в сети делителя напряжения может быть проблематичным. Один из способов преодолеть это — использовать регулируемый резистор для установки правильной точки Q, как показано.

Регулируемое смещение усилителя

Регулируемый резистор или потенциометр можно использовать для смещения обоих транзисторов на границу проводимости. Затем транзисторы TR1 и TR2 смещаются через R _B1 -VR1-R _B2 , так что их выходы сбалансированы, и нулевой ток покоя течет в нагрузку.

Входной сигнал, который подается через конденсаторы C1 и C2, накладывается на напряжения смещения и подается на базы обоих транзисторов. Обратите внимание, что оба сигнала, подаваемые на каждую базу, имеют ту же частоту и амплитуду, что и исходящие от V _IN .

Преимущество этого регулируемого устройства смещения состоит в том, что для базовой схемы усилителя не требуется использование дополнительных транзисторов с точно подобранными электрическими характеристиками или точным соотношением резисторов в сети делителя напряжения, поскольку потенциометр можно регулировать для компенсации.

Поскольку резисторы являются пассивными устройствами, которые преобразуют электрическую энергию в тепло из-за своей номинальной мощности, резистивное смещение усилителя класса AB, фиксированное или регулируемое, может быть очень чувствительным к изменениям температуры. Любые небольшие изменения рабочей температуры резисторов смещения (или транзисторов) могут повлиять на их значение, вызывая нежелательные изменения в токе покоя коллектора каждого транзистора. Одним из способов решения этой проблемы, связанной с температурой, является замена резисторов диодами для использования диодного смещения.

Смещение диода усилителя класса AB

Хотя использование смещающих резисторов может не решить температурную проблему, один из способов компенсации любых связанных с температурой колебаний напряжения база-эмиттер (V _BE ) состоит в использовании пары нормальных смещенных в прямом направлении диодов внутри усилителей, смещающих расположение, как показано.

Небольшой постоянный ток течет через последовательную цепь R1-D1-D2-R2, создавая падения напряжения, симметричные по обе стороны от входа.При отсутствии напряжения входного сигнала точка между двумя диодами равна нулю вольт. По мере протекания тока по цепи на диодах возникает падение напряжения прямого смещения примерно 0,7 В, которое прикладывается к переходам база-эмиттер переключающих транзисторов.

Следовательно, падение напряжения на диодах смещает базу транзистора TR1 примерно до 0,7 В, а базу транзистора TR2 примерно до –0,7 В. Таким образом, два кремниевых диода обеспечивают постоянное падение напряжения примерно на 1 Ом.4 вольта между двумя базами, смещая их выше точки отсечки.

С повышением температуры схемы повышается и температура диодов, поскольку они расположены рядом с транзисторами. Таким образом, напряжение на PN-переходе диода уменьшает отклонение некоторого тока базы транзистора, стабилизируя ток коллектора транзистора.

Если электрические характеристики диодов близко совпадают с характеристиками перехода база-эмиттер транзисторов, ток, протекающий в диодах, и ток в транзисторах будут одинаковыми, создавая то, что называется токовым зеркалом.Эффект этого токового зеркала компенсирует колебания температуры, обеспечивая требуемую работу класса AB, тем самым устраняя любые перекрестные искажения.

На практике диодное смещение легко выполняется в современных усилителях на интегральных схемах, поскольку и диод, и переключающий транзистор изготавливаются на одной микросхеме, например, в популярной микросхеме усилителя мощности LM386. Это означает, что они оба имеют одинаковые кривые характеристик при широком изменении температуры, обеспечивая термостабилизацию тока покоя.

Смещение выходного каскада усилителя класса AB обычно регулируется в соответствии с конкретным применением усилителя. Ток покоя усилителей устанавливается на ноль для минимизации энергопотребления, как в работе класса B, или регулируется для протекания очень небольшого тока покоя, который сводит к минимуму перекрестные искажения, обеспечивающие работу усилителя класса AB.

В приведенных выше примерах смещения класса AB входной сигнал подается непосредственно на базы переключающих транзисторов с помощью конденсаторов.Но мы можем немного улучшить выходной каскад усилителя класса AB, добавив простой каскад драйвера с общим эмиттером, как показано на рисунке.

Каскад усилителя усилителя класса AB

Транзистор TR3 действует как источник тока, который устанавливает требуемый постоянный ток смещения, протекающий через диоды. Это устанавливает выходное напряжение покоя как Vcc / 2. Поскольку входной сигнал управляет базой TR3, он действует как каскад усилителя, управляя базами TR1 и TR2 с положительной половиной цикла ввода, управляющей TR1, в то время как TR2 выключен, а отрицательная половина цикла ввода управляет TR2, в то время как TR1 выкл, как и раньше.

Как и в случае с большинством электронных схем, существует множество различных способов проектирования выходного каскада усилителя мощности, поскольку в базовую выходную схему усилителя можно внести множество вариаций и модификаций.

Задача усилителя мощности — подавать заметный уровень выходной мощности (как тока, так и напряжения) на подключенную нагрузку с разумной степенью эффективности. Это может быть достигнуто путем работы транзистора (ов) в одном из двух основных режимов работы: Класс A или Класс B.

Одним из способов работы усилителя с разумным уровнем эффективности является использование симметричного выходного каскада класса B на основе комплементарных транзисторов NPN и PNP. При подходящем уровне прямого смещения можно уменьшить любые перекрестные искажения в результате того, что оба транзистора отключены на короткий период каждого цикла, и, как мы видели выше, такая схема известна как класс AB. усилитель звука.

Затем, сложив все это вместе, мы можем разработать простую схему усилителя мощности класса AB, как показано на рисунке, производящую около одного ватта на нагрузке 16 Ом с частотной характеристикой от 20 Гц до 20 кГц.

Усилитель класса AB

класса AB

Мы видели здесь, что усилитель класса AB смещен так, что выходной ток протекает менее одного полного цикла формы входного сигнала, но более чем на половину цикла. Реализация усилителей класса AB очень похожа на стандартные конфигурации класса B в том, что в нем используются два переключающих транзистора как часть дополнительного выходного каскада, при этом каждый транзистор проводит на противоположных полупериодах входного сигнала перед объединением на нагрузке.

Таким образом, позволяя обоим переключающим транзисторам проводить ток одновременно в течение очень короткого периода, можно существенно сгладить форму выходного сигнала во время нулевого периода кроссовера, уменьшая перекрестные искажения, связанные с конструкцией усилителя класса B. Тогда угол проводимости больше 180 ^o , но намного меньше 360 ^o .

Мы также видели, что конфигурация усилителя класса AB более эффективна, чем усилитель класса A, но немного менее эффективна, чем усилитель класса B, из-за небольшого тока покоя, необходимого для смещения транзисторов чуть выше точки отсечки.Однако использование неправильного смещения может вызвать скачки кроссоверных искажений, ухудшающие состояние.

При этом усилители класса AB являются одной из наиболее предпочтительных конструкций усилителей мощности звука из-за их комбинации достаточно хорошей эффективности и высокого качества вывода, поскольку они имеют низкие кроссоверные искажения и высокую линейность, аналогичную конструкции усилителя класса A.

— Лаборатория электроники.com

Введение

класса A обеспечивают очень хорошую линейность выходного сигнала, что означает, что сигнал воспроизводится точно, однако их эффективность очень низкая, в большинстве случаев около 20-30%. С другой стороны, усилители класса B имеют очень высокий КПД до 78,5% , но не могут точно воспроизводить выходной сигнал. Действительно, в двухтактной конфигурации появляется кроссоверное искажение, и для ограничения этого эффекта требуется использование отрицательной обратной связи.

Чтобы объединить превосходную линейность класса A и высокую эффективность класса B, был разработан class AB . В самом первом разделе мы представим общее функционирование и характеристики усилителей класса AB . После этого мы обсудим эффективность конфигураций класса AB. В следующем разделе будут представлены некоторые возможные методы смещения, и мы подчеркнем, что смещение диода является наиболее подходящим. Наконец, мы увидим, что даже метод диодного смещения должен быть улучшен, чтобы конфигурация класса AB правильно усиливала сигнал без перекрестных искажений.

Презентация усилителя класса AB

Как следует из названия, класс AB находится на полпути между усилителями класса A и класса B. Рисунок 1 ниже показывает рабочую зону усилителей класса AB на характеристическом графике (V _из , I _из ).

Усилители класса AB можно смещать, выбирая рабочую точку вдоль этой синей линии, исключая точки смещения класса A и класса B.Выбор его местоположения зависит от желаемого уровня эффективности и линейности. Если рабочая точка класса AB ближе к рабочей точке класса A (соответственно классу B), чем рабочая точка класса B (соответственно класс A), схема будет вести себя как усилитель класса A (соответственно класс B) за счет имеющий более высокую линейность, но меньшую эффективность (соответственно более высокую эффективность, но более низкую линейность).

Угол проводимости усилителей класса AB находится в диапазоне] 180 °, 360 ° [. Усилитель этого типа проводит сигнал более 50% времени, но менее 100%, как показано на Рисунок 2 ниже:

Представлены режимы поведения NPN и на основе PNP класса AB, поскольку необходима двухтактная конфигурация, например, для усилителя класса B, для объединения положительных и отрицательные полуволны для воспроизведения полного сигнала.

Можно отметить, что небольшая часть сигнала проходит одновременно через NPN и PNP транзисторы. Это гарантирует отсутствие перекрестных искажений во время усиления, выполняемого усилителями класса AB .

Эффективность класса AB

Формула КПД (η) для усилителей класса AB аналогична конфигурации класса B и определяется следующим уравнением:

Где V _AC представляет колебания переменного тока выходного сигнала.Максимальная эффективность здесь зависит не только от максимального значения V _{AC ,} , но и от положения рабочей точки вдоль рабочей зоны (см. Рисунок 1 ):

• Если усилитель класса AB смещен на пределе точки отсечки, V _{AC , макс.} = V _подает и, таким образом, η _max = π / 4 = 78,5%.
  
• Если усилитель класса AB смещен на пределе рабочей точки класса A, V _{AC , макс.} = V _{, питание} /2 и, следовательно, η _max = π / 8 = 39.3%.
  
• В остальных случаях максимальный КПД усилителя класса AB будет в ] 39,3%; 78,5% [диапазон .

Методы смещения

Есть много способов смещения усилителя класса AB , чтобы создать интервал напряжения, в котором дополнительные транзисторы проводят одновременно. В этом разделе мы кратко представим некоторые из возможных методов смещения, выделив их преимущества и недостатки.Методы будут отсортированы по степени их актуальности, мы действительно начнем с самых неподходящих, а закончим самыми распространенными, простыми в реализации и эффективными.

Смещение напряжения

Очень простой и интуитивно понятный метод — это прямое и независимое смещение оснований транзисторов NPN и PNP. Это питание может осуществляться от батарей или через генератор постоянного тока. Выходной каскад двухтактной конфигурации, которая включает этот метод смещения, показан на Рис. 3 ниже:

Этот метод заслуживает того, чтобы работать, но он совершенно не адаптирован для реальных схем.Действительно, из-за ограничений по упаковке и стоимости ни один производитель не внедряет это решение.

Делитель напряжения сетевой

Этот метод был представлен много раз во время обучающих программ по усилителю BJT и включает только пассивные компоненты. Рисунок 4 ниже представляет двухтактную конфигурацию, связанную с двумя цепями делителей напряжения для смещения базы обоих транзисторов.

В этой конфигурации падение напряжения на двух базах (на общем сопротивлении R ₂ + R ₃ ) составляет 1.От 2 до 1,4 В. Это значение соответствует 2 × V _BE , где V _BE представляет собой пороговое напряжение транзисторов. Это падение напряжения поднимет оба транзистора выше состояния отсечки, поэтому они оба будут проводить одновременно часть входного сигнала.

Основная причина, по которой эту конфигурацию нельзя использовать для усилителей класса AB, заключается в том, что набор значений резисторов будет работать только для конкретной двухтактной конфигурации .Более того, набор значений нужно выбирать очень тщательно, особенно если комплементарные транзисторы разные.

Потенциометр смещения

Этот метод очень похож на сетевой делитель напряжения. Единственное отличие состоит в том, что между двумя цепями находится регулируемое сопротивление (или потенциометр). Преимущество этого решения заключается в точном согласовании смещения двух дополнительных транзисторов с контролируемым сопротивлением, даже если транзисторы имеют разные электрические свойства.

Однако это решение, а также схема делителя напряжения включают резистор, который выделяет тепло за счет эффекта Джоуля. Поскольку усилители класса AB часто смещены немного выше точки отсечки, чтобы обеспечить максимальную эффективность, любое изменение температуры, вызванное этим явлением, может привести к неправильному поведению двухтактной конфигурации. Это причина, по которой смещение диода часто предпочитают, как мы увидим в следующем абзаце.

Смещение диода

При превышении определенного значения тока диоды имеют свойство генерировать постоянное падение напряжения ∼0.7 В. Именно эта функция используется для обеспечения постоянного потенциала 1,4 В между базами двух транзисторов, как показано на рисунке 5 ниже:

Еще одно преимущество этой конфигурации состоит в том, что падение напряжения на диодах саморегулируется при любом изменении температуры. Повышение температуры действительно приведет к снижению порогового значения диодов, что уменьшит смещение транзисторов и, следовательно, ограничит возможное тепловое отклонение.

Диодная сеть и источник тока

Схема смещения диодов, как мы только что представили, наиболее адаптирована для смещения усилителей класса AB . Однако прямое смещение диодов с сопротивлениями, такими как показано в , рис. 5, , также приводит к некоторым проблемам.

Основным ограничением являются сопротивления R ₁ и R ₂ , которые смещают диоды. Действительно, если требуется высокий выходной сигнал, базы транзистора будут собирать весь ток с сопротивлений, поэтому ток в диодах будет равен нулю.Поскольку диоды не получают тока, в двухтактную конфигурацию не будет подаваться смещение, и снова будет наблюдаться перекрестное искажение. Это явление усиливается тем фактом, что при увеличении выходного напряжения ток на сопротивлениях R ₁ и R ₂ уменьшается.

Для решения этой проблемы вместо сопротивлений используются усилители с общим эмиттером, которые действуют как источники тока, такие как показано на , рис. 6, . В этом случае источники тока могут предвидеть изменения выходного сигнала, обеспечивая постоянный ток в противовес сопротивлениям.Таким образом, как базы, так и диоды могут питаться током.

Распределение мощности для усилителя класса AB

Вывод

Мы видели, что усилители класса AB контрастируют с усилителями класса A и класса B, поскольку у них нет уникальной рабочей точки, а скорее рабочая зона, ограниченная точкой покоя класса A и точкой отсечки (рабочая точка класса B).Расположение рабочей точки вдоль этой зоны будет определять как угол проводимости, так и эффективность усилителя.

Действительно, если рабочая точка класса AB расположена ближе к рабочей точке класса A, усилитель будет иметь угол проводимости [270 °; 360 ° [ диапазон, следовательно, проводит более трех четвертей сигнала. Причем КПД у ] 39,3%; 58.9%] будет соблюдаться интервал .

С другой стороны, если рабочая точка расположена ближе к рабочей точке класса B, усилитель с большей вероятностью будет вести себя как класс B, представляя более низкий угол проводимости в интервале ] 180 °; 270 °] , что увеличит его эффективность между 58.9% и 78,5% .

Мы видели, что существует множество различных методов для смещения оснований двухтактной конфигурации. Мы специально сосредоточились на смещении напряжения, резистивном смещении и диодном смещении. Первый состоит в прямом смещении оснований с помощью генератора напряжения или батарей, но он не реализован из-за затрат и проблем с упаковкой, которые возникают с ним. Второй и третий методы используют сети делителей напряжения и модифицированные сети с потенциометром.Однако эти схемы смещения состоят из множества сопротивлений и поэтому вызывают рассеивание тепла, которое напрямую влияет на поведение транзисторов.

Последний представленный метод может решить эту проблему за счет использования схемы диодного делителя. Мы действительно видели, что эта структура создает постоянное падение напряжения 1,4 В между базами двух транзисторов, чего достаточно для создания интервала, в котором транзисторы NPN и PNP проводят одновременно. Кроме того, диоды обладают преимуществом перед резистором в том, что они смягчают колебания температуры.

Наконец, мы увидели, что диодная цепь должна быть смещена с помощью источников тока, чтобы обеспечить постоянное смещение для баз двухтактной конфигурации, несмотря на изменения выходного сигнала.

Конфигурация , класс AB, в настоящее время является наиболее распространенной в электронных схемах, поскольку она сочетает в себе преимущества усилителей класса A и класса B без их недостатков.

Род Эллиотт — Авторские права © 2014

В сети уже есть много статей, освещающих эту тему, некоторые довольно хорошо (но часто без достаточной информации), некоторые плохо, а некоторые в значительной степени ошибочны.Обычно неверны не описания, а комментарии о предполагаемом качестве звука. Например, некоторые усилители класса А действительно очень хороши, а другие — ужасны. Хороший, плохой или безразличный усилитель делает не только класс работы, но и то, как спроектирована схема и сколько усилий было затрачено на минимизацию проблем. Многие производители усилителей-бутиков будут делать диковинные заявления о выбранной топологии, но рекламная шумиха не является фактом, и ее следует игнорировать.

Многие усилители класса AB намного лучше, чем подавляющее большинство усилителей класса A, несмотря на то, что они намного более эффективны и лишены серьезности называться «Class-A». Есть также несколько малоизвестных классов, некоторые из которых не определены, а другие могут использоваться только с (некоторыми) радиочастотными сигналами. Есть и другие, для которых нет «официального» определения, поэтому часто возникает путаница относительно того, является ли усилитель тем или иным (главными примерами этого являются классы G и H).

Классы усилителей, которые используются исключительно с радиочастотами, здесь не рассматриваются, только классы, непосредственно связанные со звуком.

В то время как Class-C обычно считается чисто радиочастотной техникой, он (по крайней мере, технически и если довести до крайности нормального определения) использовался Quad в их усилителях с «демпфированием тока». Проводимость выходного транзистора составляла , а не 180 °, как требуется для класса B. Разница действительно академическая, поэтому выходной каскад можно так же легко назвать классом B, потому что угол проводимости действительно очень близок к полным 180 ° для каждого устройства при нормальной работе.Тщательный анализ системы Quad показывает, что она в значительной степени ведет себя как более «традиционный» усилитель, но с неожиданно низким уровнем искажений — особенно с учетом относительно слабых мощных транзисторов, доступных в то время.

Усилители всех классов (кроме класса D) могут быть изготовлены на биполярных транзисторах, полевых МОП-транзисторах или лампах (вакуумных лампах). При использовании в линейной схеме полевые МОП-транзисторы должны быть «бокового» типа, которые имеют меньшее усиление, но более линейны, чем «вертикальные» МОП-транзисторы (наиболее распространенные типы обычно известны как «полевые МОП-транзисторы» из-за их внутренней структуры).Эти типы предназначены для коммутации приложений, и даже производители не рекомендуют их для линейного использования. Полевые транзисторы HEXFET и другие типы переключения не являются линейными. Хотя возможно сделать линейные усилители с использованием полевых транзисторов HEXFET, необходимо тщательное согласование устройств, и есть несколько интересных ловушек, которые поджидают неосторожных. Естественно, вертикальные полевые МОП-транзисторы идеально подходят для усилителей класса D, где они используются исключительно.

также могут быть гибридами, что означает, что они используют комбинацию вентилей, транзисторов и / или полевых МОП-транзисторов.Когда мы говорим о гибридных усилителях, обычно подразумевают комбинацию ламп и полупроводников. Гибридные усилители могут быть любого класса, но чаще всего это либо класс A, либо класс AB. Хотя нет реальной причины, по которой вентильный передний конец нельзя использовать с усилителем класса D, это довольно маловероятная комбинация и бесполезной цели. Есть много комбинаций, которые не служат никакой полезной цели, но это не мешает рекламистам превозносить свои (предполагаемые) достоинства.

В усилителях, где отрицательная обратная связь не используется для коррекции и увеличения линейности, возникающие искажения влияют на звук.Возникают гармонические и интермодуляционные искажения, которые могут серьезно снизить производительность усилителя. Это применимо независимо от усилительного устройства, класса работы или топологии. Несмотря на утверждения некоторых, отрицательная обратная связь не является злом, и ее правильное применение в грамотно спроектированном усилителе с использованием любого из доступных устройств (вентиль, транзистор или полевой МОП-транзистор) почти всегда улучшает качество звука в целом. Очень немногие усилители без отрицательной обратной связи можно квалифицировать как Hi-Fi. Бывают исключения, но дополнительная сложность такова, что в целом выгода практически отсутствует.

Сводка

Класс-A	Выходное устройство (устройства) для полного аудио цикла (360 °)
Класс-B	Выходные устройства проводят на 180 ° входного цикла
Class-AB	Выходные устройства проводят более 180 °, но менее 360 ° входного цикла
Class-C	Выходные устройства работают менее чем на 180 ° входного цикла (только RF)
Class-E, F	Подклассы Class-C, только РФ
Класс-D	Выходные устройства переключаются на высокой частоте и используют методы ШИМ (широтно-импульсной модуляции) (обратите внимание, что класс D НЕ означает «цифровой»)
Class-G	Используйте переключаемые шины питания с усилителями, обычно имеющими несколько шин питания
Class-H	Используйте модулированные шины питания, при которых напряжение питания поддерживается на уровне, немного превышающем требуемое для подаваемой мощности
Class-I	Собственный вариант Class-D (кажется, что это официально не признано)
Class-T	Другой проприетарный класс усилителя, а также вариант Class-D (он также официально не признан)
BTL	Мостовая нагрузка.Не класс работы, но иногда думается. Может быть применен к усилителю любого класса

Выше приведены очень общие сведения о различных классах усилителей, и все классы (не связанные с РЧ) описаны ниже. Обратите внимание, что классы G и H страдают от большой путаницы, поскольку термины обычно используются как взаимозаменяемые. Это совершенно разные техники, и к ним следует относиться соответственно. Похоже, что никто не предпринял никаких попыток классифицировать их, несмотря на их популярность, особенно для приложений громкой связи (звукоусиления).

Новая (и тревожная) тенденция многих производителей усилителей (и особенно микросхем класса D) оценивать выходную мощность как 10% искажений. Единственная причина для этого — раздуть фигуру. Усилитель, который может выдавать 120 Вт при менее 1% искажений, будет давать более 160 Вт при 10%, но такое количество искажений недопустимо. По причинам, которые ускользают от меня, единственное, что кажется важным, — это сила. Аудио — это , а не , все дело в мощности, дело в точном воспроизведении музыки.Многие люди обнаружат (если они когда-либо измерили это), что их системы выдают менее 20 Вт / канал с обычным программным материалом при реалистичных уровнях звука — усилитель на 20 Вт может давать пики почти 100 дБ (при довольно низкой эффективности 85 дБ / Вт / м). ). Средняя мощность скорее всего будет не более 1 Вт.

Термин «класс A» означает, что усилительное устройство (транзистор, полевой МОП-транзистор или вентиль) проводит полный звуковой цикл (360 °). Он не отключается при любом выходном напряжении или токе ниже ограничения, когда выходное напряжение в противном случае превысило бы напряжение питания.Поскольку устройство не может оставаться линейным, если усилительное устройство выключено или полностью проводящее, выходной уровень должен быть достаточно низким, чтобы гарантировать, что ни один из крайних значений не будет достигнут. В случае усилителей, которые используют выходной трансформатор или катушку индуктивности, верхний предел фактически вдвое превышает напряжение питания, поскольку индуктивный элемент добавляет дополнительное напряжение, которое в противном случае было бы недоступно. Обратите внимание, что схема смещения не показана на рисунке ниже. Постоянный ток, протекающий в индукторе или обмотке трансформатора, вызывает дополнительные проблемы, и они связаны с некоторыми проблемами, с которыми сталкиваются несимметричные конструкции.

По определению все несимметричные аудиоусилители относятся к Классу А. Они могут использовать индукторы, трансформаторы, резисторы, активные источники тока, сам громкоговоритель (плохая идея) или даже лампочку в качестве источника тока. Для всех усилителей класса A ток усилительного устройства должен быть немного больше, чем пиковый выходной ток. Например, если нагрузка (громкоговоритель) может потреблять до 4 ампер, усилительному устройству требуется ток покоя (без сигнала) чуть более 4 А.Если громкоговоритель используется в качестве «источника тока», выходная мощность будет ограничена несколькими милливаттами, поскольку в звуковой катушке протекает постоянный ток.

Рисунок 1 — Несимметричные выходные каскады индуктора и трансформатора

Обратите внимание, что в двух показанных примерах напряжение на усилительном устройстве приближается к удвоенному напряжению питания. Хотя это может показаться маловероятным, это вполне нормально и связано с накопленной энергией в катушке индуктивности / трансформаторе. Он добавляется и выпускается под управлением транзистора или клапана.Постоянный ток, протекающий через индуктивный элемент, должен быть как минимум равным пиковому току, требуемому нагрузкой громкоговорителя (но уменьшаться из-за действия трансформатора, например, клапана).

Без обратной связи усилители класса А с выходом как трансформатора, так и катушки индуктивности имеют тенденцию иметь более высокое выходное сопротивление, чем обычно, и это также может относиться к другим конструкциям, в которых обратная связь устранена или минимизирована. При использовании трансформаторов или катушек индуктивности количество обратной связи, которую можно использовать, обычно довольно скромно из-за высокого сдвига фазы в индуктивной составляющей.Повышенное выходное сопротивление вызывает окрашивание большинства динамиков, особенно усиление явных басов и экстремальных высоких частот. Это , а не из-за класса A, это случается с любым усилителем любого класса, если выходной импеданс больше (близок к нулю). Большинство усилителей имеют выходное сопротивление менее 100 мОм (0,1 Ом), но конструкции с «низкой» и «нулевой» обратной связью могут иметь выходное сопротивление до нескольких Ом. Акустические системы неизменно проектируются для усилителей с очень низким выходным сопротивлением.

могут быть несимметричными, как показано выше, или двухтактными. Несимметричный вентиль класса A популярен в некоторых кругах как так называемый усилитель SET (несимметричный триод), как показано на рисунке 1. Несмотря на класс A, эти усилители обычно имеют низкую мощность (как и ожидалось) и часто очень высокие искажения. Это искажение (как простая гармоника, так и интермодуляция) происходит из-за основной нелинейности всех вентилей, а также частично из-за выходного трансформатора. Двухтактный режим улучшает ситуацию и более подробно описан ниже.

Существуют также усилители на несимметричных транзисторах (или MOSFET). Те, которые имели индуктивную нагрузку, были обычным явлением в ранних транзисторных автомобильных радиоприемниках (почти всегда с использованием германиевого транзистора PNP), но сегодня они очень редки. Примерами более обычных несимметричных усилителей (по сегодняшним меркам) являются Zen (от Nelson Pass) и Death of Zen (DoZ), описанные на веб-сайте ESP. Эти усилители очень неэффективны, обычно в лучшем случае они составляют 25% (это означает, что 75% всей мощности, подаваемой на усилитель, рассеивается в виде тепла).

используются два усилительных устройства, и, поскольку одно проводит больше, другое — меньше (и, конечно, наоборот). Ни в коем случае ни транзистор, ни вентиль не отключаются полностью и не насыщаются (не включаются полностью). По определению, они должны проводить (надеюсь, но редко линейно) на все 360 ° каждого цикла звука, который они усиливают. Эффективность все еще низкая, но искажения резко уменьшаются, поскольку устройства дополняют друг друга, и, в частности, устраняются искажения второй гармоники.Фактически, все гармоник четного порядка подавляются, оставляя только относительно низкие уровни гармоник нечетного порядка. Принципиальной разницы между двухтактными усилителями любого класса, кроме тока смещения, нет. Для класса A ток через усилительные устройства никогда не падает до нуля ни в одной точке формы сигнала или при любом уровне мощности.

Хотя часто утверждается, что уровни искажений класса A всегда ниже, чем у усилителей класса AB, это не всегда так.Хорошо спроектированный усилитель класса AB часто может обеспечить более низкие искажения и лучшую частотную характеристику в целом, чем многие конструкции класса A, особенно те, которые заявляют о «низкой» или «нулевой» обратной связи. Несмотря на утверждения об обратном, внутреннего улучшения качества звука по сравнению с классом A нет ни в какой форме. Воспринимаемые различия часто возникают из-за выходного сопротивления или, возможно, слушателя, предпочитающего «стену звука», созданную более сильным, чем обычно, искажением. Существует бесчисленное количество утверждений, что класс A звучит «лучше», чем другие классы, но это не обязательно так.

До широкого использования операционных усилителей в приложениях с малым сигналом каскады низкого уровня всегда относились к Классу A, и это остается верным для конструкций ламповых предусилителей. Очень низкие искажения возможны в хорошо спроектированных схемах, но, как и в усилителях мощности, здесь нет «волшебства». Это не является общепринятым, но в целом любые два предусилителя с эквивалентной производительностью (с одинаково низкими искажениями и шумом и с одинаковой полосой пропускания) будут звучать одинаково, независимо от используемой технологии, но только при тестировании с использованием надлежащего двойного усилителя. Слепая техника .

Рисунок 2 — Рабочий ток силового устройства и типичное усиление устройства по сравнению с Текущий

На приведенном выше графике (левый график) очевидно, что ток никогда не падает до нуля, но очень важно понимать, что он не является постоянным. Поскольку ток варьируется (от 56 мА до 4,7 А), изменяется и коэффициент усиления усилительного устройства, также показанного (справа). Клапаны и транзисторы способны выдавать очень линейный выходной сигнал, если ток остается постоянным, но их коэффициент усиления всегда изменяется в зависимости от тока, и это приводит к искажениям.График зависимости усиления от тока взят из таблицы данных для 2N3055, но почти все устройства имеют ту же проблему. Обратите внимание, что типичное усиление 2N3055 варьируется от более 100 при 200 мА до менее 30 при 5 А. Есть некоторые биполярные транзисторы, которые имеют удивительно ровные графики зависимости коэффициента усиления от тока, и они обеспечивают более высокую производительность (и меньшие искажения) во всем рабочем диапазоне, но очень немногие из них имеют полезный коэффициент усиления всего в несколько миллиампер. Обратите внимание, что большинство клапанов в этом отношении ведут себя гораздо хуже — утверждения о том, что они «по своей природе линейны», необоснованны.

Может показаться, что это не так, но форма волны, показанная на рисунке 2, имеет более 7% THD . Вторая гармоника доминирует, но третья не отстает. Как всегда, есть полный спектр гармоник, которые плавно затухают с увеличением частоты.

На самом деле существует очень и очень мало «настоящих» усилителей класса B. Термин «класс B» означает, что каждое усилительное устройство проводит точно на 180 ° формы сигнала, что означает, что они не будут проводить вообще, если сигнал отсутствует.Хотя это, безусловно, можно сделать, наказание — искажение, которое всегда будет наихудшим на низких уровнях. График выше, показывающий коэффициент усиления 2N3055, показывает, что он падает с уменьшением тока. Что не показывает , так это то, что при очень низком токе (несколько миллиампер) усиление падает почти до нуля. Хотя некоторые устройства питания немного лучше, нереально ожидать, что любое устройство, способное рассеивать 100-200 Вт, будет иметь приемлемый коэффициент усиления, возможно, в 20 мА. Это касается всех известных усилительных устройств, включая клапаны.

Низкое усиление при низком токе означает, что должна существовать область с низким общим коэффициентом усиления через усилитель, а это означает, что отрицательная обратная связь не может устранить искажения, потому что усиление разомкнутого контура усилителя очень низкое и фактически имеется небольшая обратная связь. Результатом является так называемое «кроссоверное» искажение, потому что оно возникает при переходе сигнала от одного устройства вывода к другому.

Рисунок 3 — Разделительные искажения с усилителем класса B

Вышеупомянутое искажение кроссовера вокруг нулевой точки было намеренно преувеличено, чтобы его легко увидеть.На самом деле это может быть довольно незаметно, но почти всегда слышно, даже если измеритель искажений показывает, что общее искажение довольно низкое. Суммарные гармонические искажения усилителя, который я использовал для имитации вышеупомянутого, составляли около 1,4% при полной мощности (120 Вт), но из-за характера искажения он был бы оценен (совершенно справедливо) как «чертовски ужасный» любым достаточно компетентным слушателем. . Истинный класс B практически невозможен с клапанами, потому что их коэффициент усиления слишком мал при очень низком токе. Почти все без исключения ламповые усилители относятся к Классу AB, даже если описываются как Класс B.

Поскольку «истинный» класс B обычно не считается жизнеспособным вариантом, он не будет обсуждаться далее. Однако должно быть очевидно, что класс B может использоваться только с двухтактной топологией.

Однако есть один момент, который необходимо отметить, и он редко обсуждается. В «настоящем» усилителе класса B, когда оба выходных транзистора выключены, усилитель должен иметь без усиления . Чтобы получить усиление, транзисторы (или клапаны) должны находиться в своей активной области, а не должны быть ни полностью включены, ни выключены.Если у усилителя нет усиления при отсутствии сигнала, значит, у него также нет обратной связи! Обратная связь зависит от коэффициента усиления усилителя без обратной связи и коэффициента обратной связи, установленного цепью обратной связи. Если какая-либо схема не имеет усиления и обратной связи, она фактически перестает делать что-либо полезное. Усилитель (и цепь обратной связи) могут нормально работать только тогда, когда подается сигнал и выходные транзисторы проводят ток. Вот почему никакая обратная связь или усиление без обратной связи никогда не могут устранить искажения кроссовера, потому что в жизненно важной точке пересечения нуля усиление нулевое.

Чтобы устранить нежелательные кроссоверные искажения, почти все усилители (как ламповые, так и «твердотельные») используют класс AB. Небольшой ток покоя протекает в выходных устройствах, когда нет сигнала, и гарантирует, что выходные устройства всегда имеют некоторое перекрытие, где оба проводят часть сигнала. Некоторые производители заявляют, что их усилители работают как Class-A до определенной мощности, и это, безусловно, может быть правдой. Однако большинство усилителей работают только при очень умеренном токе покоя (без сигнала), часто всего 20 мА.Для нагрузки 8 Ом это равняется паре милливатт «работы класса A» — вряд ли стоит волноваться.

Стоит отметить, что ламповые усилители делятся на две подкатегории: Class-AB¹ и Class-AB². Общепринято, что Class-AB¹ означает, что ток в сети управления выходным клапаном не течет в любое время, а с Class-AB² есть некоторый ток сети — обычно только при максимальной мощности. Это означает, что управляющая сетка становится положительной по отношению к катоду.Как и в случае с классом B, двухтактная операция является требованием для класса AB, который не может работать линейно ни в каком другом режиме.

Рисунок 4 — Базовые двухтактные выходные каскады

Вышеупомянутые этапы сильно упрощены, но в равной степени подходят для Класса-A, Класса-B или Класса-AB. Единственная разница между режимами работы — это ток покоя (Iq), который может варьироваться от нуля (класс B) до 50% максимального пикового тока динамика (класс A). Выходной каскад клапана требует, чтобы каждое устройство приводилось в действие с противоположной полярностью, поэтому при включении одного устройства другое выключается.Клапаны не имеют комплемента (устройства противоположной полярности), поэтому они требуют, чтобы каждый приводился в действие сигналом противоположной полярности. Ток через каждый клапан должен быть одинаковым, чтобы предотвратить протекание чистого постоянного тока в обмотках трансформатора, поскольку это приведет к преждевременному насыщению сердечника. В транзисторном каскаде используется сигнал одной полярности, потому что сами транзисторы являются комплементарными (NPN и PNP), так что один включается, другой автоматически выключается.

(или полевые МОП-транзисторы) также могут использоваться с трансформаторным выходом таким же образом, как и показанные клапаны, но сегодня это очень редко.Его все еще можно использовать для некоторых специализированных приложений, но это далеко не массовая технология. В некоторых ранних транзисторных усилителях мощности действительно использовались выходные трансформаторы.

Во всех случаях и независимо от класса эксплуатации (кроме класса B) ток покоя должен тщательно контролироваться с учетом колебаний температуры. Показанные схемы управления смещением в большинстве случаев необходимо настраивать, и необходимо принимать дополнительные меры для предотвращения явления, называемого «тепловым разгоном».Это происходит, когда транзисторы нагреваются и потребляют больше тока, чем следовало бы. Это заставляет их нагреваться еще больше, поэтому они потребляют еще больше тока и становятся еще горячее … до тех пор, пока выходной каскад не выйдет из строя. Температурный разгон также возможен (но редко) для каскадов клапана, особенно если резисторы смещения управляющей сети (не показаны) имеют более высокое значение, чем рекомендуется.

Рисунок 5 — Идеализированный ток в выходных устройствах для класса AB

Вышеуказанное является типичным для тока, измеренного через каждый выходной транзистор для работы класса AB.Мы видим, что ток транзистора изменяется от нуля до полного выхода в течение одного ½ цикла, затем сделайте то же самое в другом транзисторе в течение второго. Каждый транзистор включен на чуть более половины сигнала, и нагрузка распределяется между ними. Верхняя часть формы волны тока обеспечивается транзистором NPN (см. Рисунок 4), а отрицательная часть обеспечивается транзистором PNP. Любое нарушение непрерывности при передаче сигнала от одного устройства к другому проявляется как перекрестное искажение, поэтому ток смещения (Iq) должен быть достаточно высоким, чтобы избежать проблем, но не настолько высоким, чтобы снизить эффективность или вызвать чрезмерное нагревание.

Только на очень низких уровнях мы можем видеть, что есть небольшая область, где усилитель работает в классе A. Как отмечалось выше, это обычно всего несколько милливатт. Ток через выходные устройства по-прежнему меняется, но в ограниченном диапазоне. На стадии клапана происходит то же самое, но там, где они работают в классе A, есть большая область «перекрытия». Это не потому, что клапаны «лучше», а потому, что они гораздо менее линейны, чем транзисторы, и требуют большей площади класса A, иначе искажения будут недопустимыми.

Class-C используется только для ВЧ (радиочастот) приложений, потому что он основан на настроенной цепи (индуктор / конденсатор (LC) «бак») для минимизации искажений формы сигнала. Работа возможна только в очень ограниченном диапазоне частот, где контур резервуара является резонансным. Время проводимости выходного устройства составляет менее 180 °, но управляющий сигнал является (более или менее) линейным во всем диапазоне проводимости.

Классы E и F аналогичны классу C, а также используют топологию РЧ-усилителя, основанную на схемах резервуара LC.Там, где усилители класса C распространены ниже 100 МГц, усилители класса E более популярны в диапазонах частот ОВЧ и СВЧ. Разница между усилителями класса E и класса C заключается в том, что активное устройство используется в качестве переключателя с классом E, а не работает в линейной части своей передаточной характеристики.

класса F напоминают усилители класса E, но обычно используют более сложную сеть нагрузки. Частично эта сеть улучшает согласование импеданса между нагрузкой и переключателем.Класс F предназначен для устранения четных гармоник входного сигнала, поэтому сигнал переключения близок к прямоугольной. Это повышает эффективность, поскольку переключатель либо находится в состоянии насыщения, либо выключен. ^[5] .

Прежде всего, Class-D не означает цифровой. Есть несколько усилителей класса D, которые принимают цифровой вход (например, S / PDIF), но обозначение класса было просто следующим в строке после A, B и C. Первый коммерческий аудиоусилитель класса D был произведен Sinclair Radionics. ОООв Великобритании в 1964 году, но в то время он потерпел неудачу из-за радиопомех и отсутствия коммутационных устройств, которые были достаточно быстрыми для правильной работы. Это было до того, как стали доступны высокоскоростные переключаемые полевые МОП-транзисторы, а биполярные транзисторы того времени были слишком медленными. Хотя полевой МОП-транзистор был изобретен в 1962 году, потребовалось некоторое время, прежде чем он стал коммерчески доступным, и полевые транзисторы HEXFET появились только в 1978 году. Самая ранняя ссылка, которую я нашел на нечто, напоминающее класс D, была предметом патента США 2821639 в 1954 году, но это было не так. сервосистема для управления двигателем и была слишком медленной для звука.В 1967 году был также получен патент на усилитель класса D [4], за которым последовали многие другие.

Для получения дополнительной информации и подробного описания усилителей класса D см. Статью ESP Class-D, в которой гораздо больше деталей, чем можно здесь включить.

Нефильтрованный выход усилителя класса D внешне напоминает цифровой (двухпозиционный) сигнал, но он является чисто аналоговым и требует высокоскоростных аналоговых методов проектирования для получения хорошо работающей конструкции. Он так же далек от традиционных логических ИС TTL или CMOS, как и конструкция лампового усилителя! Выход усилителя класса D должен быть отфильтрован (с использованием катушки индуктивности и конденсатора), чтобы убрать высокую частоту переключения с проводов динамика и (надеюсь) устранить радиочастотные помехи.Многие микросхемы усилителей класса D работают в режиме «полного моста», и ни один из выводов динамика не может быть заземлен. См. Описание BTL (нагрузка, связанная с мостом) ниже.

класса D используется ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с идеальной прямоугольной формой волны (точно 50% рабочего цикла), представляющей нулевой выходной сигнал. Представление создания сигнала ШИМ показано ниже. Используется компаратор (буквально ИС, которая сравнивает два сигнала), причем на один вход подается полезный сигнал, а на другой — высокочастотный треугольный сигнал.Если показанная синяя кривая отфильтрована с использованием фильтра нижних частот, исходная синусоида будет восстановлена.

Выходной фильтр на самом деле не нужен усилителю класса D для воспроизведения звука в динамике, и форма волны переключения с высокой амплитудой (обычно!) Не будет « жарить » звуковую катушку динамика, потому что сопротивление на частоте переключения очень велико. Однако без фильтра гармоники сигнала ШИМ будут создавать существенные радиочастотные помехи в широком диапазоне частот.Это, очевидно, неприемлемо, так как это может легко заглушить радиовещание (особенно AM), а также нанесет ущерб другим радиодиапазонам.

Рисунок 6 — Генерация сигнала ШИМ для усилителя класса D

Обратите внимание, что для правильного представления сигнала частота опорного сигнала ШИМ должна быть намного выше, чем максимальная входная частота — обычно принимаемая равной 20 кГц. Следуя теореме Найквиста, нам нужна как минимум вдвое большая частота, но в конструкциях с низким уровнем искажений используются более высокие коэффициенты (обычно от 5 до 30 — от 100 кГц до 600 кГц).Затем сигнал ШИМ должен управлять схемой преобразования импульсной мощности, чтобы формировался мощный ШИМ-сигнал, переключаясь с шин питания с положительной на отрицательную (при условии топологии с двумя источниками питания). Использование BTL позволяет работать с однополярным источником питания без выходного разделительного конденсатора, что упрощает подачу питания.

Спектр сигнала ШИМ имеет низкочастотную составляющую, которая является усиленной копией входного сигнала, но также содержит компоненты на частоте переключения и ее гармоники, которые удаляются для восстановления исходного (но усиленного) модулирующего сигнала.Для этого необходим мощный фильтр нижних частот. Обычно используется пассивный LC-фильтр, потому что он (почти) без потерь и имеет небольшое рассеяние или вообще не имеет его. Хотя всегда должны быть какие-то потери, на практике они обычно минимальны.

Class-D и его производные являются наиболее эффективными из всех технологий усилителей при средней и высокой выходной мощности. Коммутационные потери означают, что класс D может быть на менее эффективен на , чем класс AB при малой мощности. Ранние попытки имели ограниченную частотную характеристику, потому что было нелегко добиться очень быстрого переключения.Доступность специализированных ШИМ-преобразователей и микросхем драйверов MOSFET привела к огромному увеличению количества доступных продуктов, выходная мощность которых варьируется от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Как и в случае со всеми типами усилителей, к усилителям класса D предъявляется много заявлений. Описания варьируются от «как ламповый (ламповый) усилитель» до «твердый и безжизненный» и почти все, что вы можете придумать между ними. Некоторые утверждают, что у них прекрасные басы, в то время как другие жалуются, что басы отсутствуют, плоские, дряблые и т. Д.и т. д. Очень немногие из этих сравнений были проведены должным образом (двойным слепым методом), и большинство из них можно отбросить как предвзятые или просто апокрифические.

Я тестировал и слушал довольно много усилителей класса D (а также «Class-T» — см. Ниже), и большинство из тех, что я пробовал, по крайней мере приемлемы — качество низких частот даже в самых дешевых реализациях обычно очень низкое. действительно хорошо, с некоторыми из них легко добраться до Вашингтона. Могут быть случаи, когда сопротивление постоянному току катушки индуктивности выходного фильтра вызывает более низкий, чем ожидалось, коэффициент демпфирования, но это кажется довольно маловероятным для большинства лучших конструкций.

У некоторых определенно есть проблемы с крайними верхними частотами — я больше не слышу выше 15 кГц, но я могу легко их измерить. Выходной фильтр должен быть разработан с учетом конкретного импеданса, поскольку это необходимо для пассивных фильтров. В результате, если импеданс громкоговорителя отличается от проектной частоты выше 10 кГц, то характеристика фильтра никогда не может быть ровной. Существует тенденция к использованию более высоких частот модуляции, чем когда-либо прежде, поэтому фильтр можно настроить на более высокую частоту, но некоторый эффект все равно будет.

Рисунок 7 — Влияние выходного фильтра при различных импедансах

Всем усилителям класса D требуется выходной фильтр — он необходим для предотвращения помех радио и телевидению. Мы знаем, что пассивный фильтр должен быть разработан с учетом конкретного импеданса , но что является идеальным? Проблема в том, что не существует идеала, и производители громкоговорителей не пытаются стандартизировать назначенный импеданс на (скажем) 20 кГц. Динамик с номинальным сопротивлением 8 Ом вполне может иметь сопротивление 32 Ом (или более) на частоте 20 кГц из-за полуиндуктивности звуковой катушки динамика (максимальное сопротивление обычно несколько меньше для высокочастотных динамиков и драйверов сжатия рупора, поскольку полуиндуктивность обычно довольно низкая. ).

На приведенном выше графике я показал более или менее типичную схему фильтра, а также отклик с различными сопротивлениями нагрузки. Если динамик обозревателя (или клиента) имеет сопротивление 16 Ом на частоте 20 кГц, то с показанным фильтром будет усиление на 3 дБ на частоте 20 кГц. Отклик не сделан специально для того, чтобы выглядеть плохо — это простой фильтр, довольно типичный для тех, что используются в коммерческих усилителях класса D. Некоторые слушатели сообщают, что усилитель имеет «искрящиеся» высокие частоты, а другие жалуются, что он «резкий» и / или «прокалывает уши».Нет, это просто несоответствие импеданса. Некоторые усилители класса D используют на выходе сеть Zobel в попытке обеспечить предсказуемый импеданс нагрузки на частоте 20 кГц и выше.

В прошлом нам никогда не приходилось слишком беспокоиться об импедансе. Усилитель мощности имеет очень низкий импеданс, динамики имеют переменный импеданс, который имеет номинальное указанное значение, и больше ничего не нужно говорить. Класс D изменил это, но никто этого не замечает. Если бы производители динамиков добавили сеть, которая обеспечивала бы определенный и стандартизированный импеданс на частоте 20 кГц и выше, многие пренебрежительные претензии к усилителям класса D просто исчезли бы.Это также гарантирует, что некоторые из эзотерических акустических кабелей (IMO ‘lunatic fringe’) не вызывают колебания усилителей (но это уже другая история, описанная в разделе «Импеданс кабеля»). Не задерживайте дыхание.

В последнее время многие конструкции класса D включают выходной фильтр в общий контур обратной связи, поэтому выходной уровень остается постоянным независимо от импеданса нагрузки и частоты (сигнала). В некоторых случаях фазовый сдвиг фильтра используется для установки частоты колебаний (т. Е. По сути «автоколебательная» конструкция).Хотя это должно остановить рецензентов, но почти наверняка этого не произойдет. Существует множество конструкций класса D, которые измеряют (и звучат) так же хорошо, как усилители класса AB, но очень сложно избавиться от предубеждений в любом тесте на зрение (т. Е. Неслепой).

Этот тип усилителя сейчас очень распространен среди мощных усилителей, используемых в системах звукоусиления. Усилители часто бывают очень мощными (в некоторых случаях 2 кВт или больше), но они более эффективны, чем Class-AB.При малой мощности усилитель класса G работает от шин питания с относительно низким напряжением, что сводит к минимуму рассеяние на выходных транзисторах. При необходимости сигнал потребляет ток от шин питания высокого напряжения, используя второй набор транзисторов для обеспечения пиков сигнала. См. Статью ESP, в которой подробно описаны усилители класса G, для получения дополнительной информации.

класса G могут иметь от 4 до 8 шин питания (половина используется для положительной стороны, а половина — для отрицательной). Четыре рельса довольно распространены и могут подавать на усилитель мощности ± 55 В и ± 110 В, как показано ниже.

Рисунок 8 — Напряжение усилителя класса G для 4-контактного блока питания

Из приведенного выше вы можете видеть, что верхние (более высокое напряжение) источники питания используются только в том случае, если выходной сигнал превышает нижние шины питания (± 55 В в этом примере). Меньшее рассеивание означает, что радиаторы и трансформатор могут быть меньше, чем для конструкции класса AB с такой же пиковой выходной мощностью. Выходной сигнал показан пунктирной линией, когда он обеспечивается шинами питания с более высоким напряжением и добавленными выходными транзисторами.

Class-G довольно легко реализовать (менее сложный, чем Class-D, но более сложный, чем Class-AB), а из-за повышенной эффективности необходимые радиаторы и силовые трансформаторы несколько меньше, чем можно было бы ожидать от усилителя указанная номинальная мощность.

Есть опасения (высказанные по всей сети), что будут шумы переключения при включении и выключении дополнительных шин питания, но нет никаких доказательств того, что это слышно с программным материалом в каких-либо компетентных коммерческих продуктах.Хотя некоторый шум может быть слышен (или, по крайней мере, измерен) при тестировании синусоиды, сомнительно, что он вызовет какие-либо идентифицируемые искажения с речью или музыкой. Это в значительной степени связано с тем, что дополнительные источники питания не включаются до тех пор, пока выходная мощность не станет достаточно высокой, и любые эффекты будут незначительными по сравнению с уровнем звука сигнала. Это не то, что я имел возможность тестировать, но крупные производители получат много жалоб, если их усилители будут издавать «нежелательные» шумы, в отличие от аналогичных усилителей.

Граница между классом G и классом H становится все более размытой по мере того, как публикуется больше статей и создается больше дизайнов. В оригинальном усилителе класса H (который в то время назывался Class-G) использовался большой конденсатор, который заряжался, а затем включался в схему, когда это было необходимо, чтобы генерировать более высокое напряжение питания для обработки переходных процессов. В других вариантах используется внешний модулированный источник питания (обычно переключаемый), который обеспечивает напряжение, достаточное для предотвращения ограничения, или источник, который «жестко» переключается на более высокое напряжение, когда это необходимо.

Когда усилитель класса H использует переключаемый источник питания, он не отслеживает вход, а переключается на более высокое напряжение, чтобы приспособиться к пикам сигнала, которые превышают нормальные (низковольтные) шины питания (это показано светло-зеленым и светло-голубые следы внизу). Могут быть ситуации, когда выходной сигнал довольно постоянный (например, сильно сжатый звук) и чуть выше порога переключения. В этом случае усилитель предположительно может рассеивать большое количество энергии, но кажется, что это не является серьезной проблемой, потому что тысячи используются, а отказы довольно редки.Из-за переключения более высокое напряжение на выходные транзисторы подается только при необходимости, поэтому выходные устройства подвергаются только относительно низкому напряжению в течение большей части времени и получают полное напряжение только в случае необходимости. Это снижает среднюю рассеиваемую мощность и увеличивает общую эффективность.

Некоторые внешние источники питания являются «отслеживающими», то есть они используют аудиосигнал для модуляции напряжения питания в «реальном времени», поэтому он точно следует за аудиосигналом.Другая система использует переключение, поэтому напряжение питания повышается (с низкого напряжения на высокое), когда это необходимо для воспроизведения пикового сигнала. Сам каскад усилителя линейный — обычно класса АВ. Хотя использование одной или нескольких отдельных шин питания для каждой полярности действительно увеличивает общую рассеиваемую мощность выходного каскада при переходном напряжении (это может быть значительным для некоторых сигналов), теоретически это будет происходить только изредка.

Когда используется принцип модуляции источника питания, это часто делается с использованием импульсных источников питания, и их два — по одному для каждой полярности напряжения питания.Напряжение покоя составляет всего ± 12 В, но может увеличиваться до ± 110 В в зависимости от выходного сигнала. Источник слежения показан ниже темно-зеленым и темно-синим цветом.

Рисунок 9 — Отслеживание напряжений усилителя класса H источника питания

Относится ли вышеперечисленное к классу H или G? Согласно моей системе классификации это класс H, но если вы предпочитаете думать о нем как о классе G, тогда будь моим гостем. В любом случае, это может быть сложная для реализации схема, но она может обеспечить «качество звука» класса AB и близкое по эффективности к классу D.Большинство расходных материалов слежения за переключением режимов намеренно медленные, поэтому они отслеживают конверт аудио , а не отдельные циклы. Это снижает эффективность, но значительно упрощает реализацию поставки.

Одним из первых усилителей, которые можно было отнести к классу H, был так называемый «усилитель магнитного поля» Carver. При этом использовалось переключение в сеть переменного тока для изменения напряжения на основном силовом трансформаторе. Дизайн был разочарован использованием трансформатора и радиаторов, которые были слишком маленькими, поэтому длительная высокая мощность могла вызвать улетучивание «волшебного дыма», и усилитель больше не работал.

Техники и инженеры обычно считают, что все электронные устройства полагаются на «волшебный дым», заключенный в их оболочку.
Если что-то вызывает выход дыма, это означает, что устройство больше не может работать. Да, это шутка, но принцип верен.

Поскольку линии, отделяющие Class-G от Class-H, настолько размыты (их действительно нет), вероятно, можно использовать любой термин для любого типа усилителя. Однако было бы неплохо, если бы применялось какое-то соглашение, чтобы мы точно знали, какая технология используется в каждом конкретном усилителе.Я предпочитаю классифицировать Class-H как любую конструкцию, в которой напряжение источника питания составляет , внешняя модуляция , например, с импульсным источником питания с отслеживанием. Однако нигде нет согласия относительно истинного различия между ними, так что это действительно спорный вопрос. Не стесняйтесь рассматривать их иначе, чем мое описание, или считать их одним и тем же предметом с разными названиями.