Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром • Stereo.ru

Класс АВ — это тот тип усилителей, который до недавнего времени применялся в Hi-Fi-аппаратуре в разы чаще, чем любой другой. Сейчас над ним уже нависла угрожающая тень усилителей класса D, занимающих все большую долю рынка Hi-Fi, но пока модели класса АВ по-прежнему в большинстве и сдаваться так легко они не собираются. В классе АВ могут работать как ламповые, так и транзисторные схемы, но если говорить об абсолютном большинстве класс АВ ассоциируется скорее с эпохой транзисторного Hi-Fi.

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Плюсы

Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.

Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.

Минусы

Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.

Особенности

Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.

В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.

Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.

Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.

Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.

Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.

Практика

Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.

Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.

С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Выводы

Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.

Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.

Что такое классы усилителей мощности?

Классы усилителей A, B, C, D и другие

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификации усилителя или смотрели обзоры аудио техники, вы могли заметить термин «класс усилителя». Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенные классы усилителей, используемые в настоящее время в бытовой аудиотехнике — это классы A, A / B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами оценки, а описывают топологию усилителя, т.е. режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы) на базовом уровне. В то время как каждый класс усилителей имеет свой собственный набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивается конечная производительность) остается прежней: усилить форму волны, отправляемую на него предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере с минимальными искажениями . Так что же означает этот алфавитный набор классов усилителей?

Весьма вероятно, что принцип работы классов окажется сложным для понимания, поэтому самое главное что нужно запомнить это:

1. Класс А практически не используется в современных аудио устройствах. Исключение составляют лишь экзотические Hi-End усилители. Главный минус класса А это низкая эффективность (КПД не более 25%). Такой усилитель потребляет много энергии, выделяет еще больше тепла но выдает мало мощности. Преимущество класса А это высокая точность воспроизведения и низкие искажения.
2. Класс B не используется в домашних аудио устройствах.
3. Класс AB самый распространенный на сегодня класс среди усилителей мощности. Большинство AV-ресиверов для домашних кинотеатров и стереоусилителей относятся к классу AB.
4. Класс D становится все лучше и лучше. Если вам интересен принцип его работы, мы покажем его ниже. Самое главное, что нужно знать, усилители класса D обладают очень высокой эффективностью (90%) и компактными размерами. Сегодня усилители этого класса все чаще используются в домашнем аудио и повсеместно в профессиональной аппаратуре и портативных устройствах. И класс D не означает цифровой, это была просто следующая буква в алфавите, потому что класс C, как и класс B не используется в аудио устройствах.
5. Классы G,H официально не признаны и представляют собой вариации на тему класса A / B.

Вступление

Усилитель мощности звука предназначен для управления громкоговорителями. Для этого ему необходимо подавать большое количество вольт и большой ток на нагрузку с низким сопротивлением в широком диапазоне частот, от ниже 20 Гц до, возможно, 40-50 кГц, без слышимых искажений.

Для усилителя с номинальным среднеквадратичным значением 100 Вт, выдающего синусоидальную волну, пиковое выходное напряжение должно превышать +/- 40 В для резистивной нагрузки 8 Ом и пикового тока +/- 5 А. На практике может потребоваться гораздо больший ток, чтобы управлять настоящими громкоговорителями, импеданс которых на некоторых частотах значительно ниже 8 Ом; в приведенном выше примере типичным требованием будет +/- 8 ампер. Чтобы управлять сегодняшними нагрузками 4-8 Ом при 100 Вт, это значение следует увеличить до +/- 12 ампер или более.

В реальной жизни питание должно быть ближе к +/- 50 В, а не к теоретическому минимуму +/- 40 В, чтобы учесть внутрисхемные потери.
Такие высокие мощности означают, что большое количество тепла обычно рассеивается в самом усилителе, особенно в выходном каскаде. Это дорого, потому что требует физически больших массивов выходных транзисторов, массивных радиаторов и силового трансформатора подходящего номинала.

Таким образом, эффективность имеет значение, потому что более эффективные усилители генерируют меньше отходящего тепла и экономят как деньги, так и потребление энергии. Как мы увидим, различные классы усилителей, показанные ниже, сильно различаются по своей эффективности, сложности, стоимости и точности воспроизведения. Разработчики усилителей стараются найти лучший из них для требований рынка. 

Класс А

Самые простые усилители звука — несимметричные и класса А; то есть они используют только один выходной транзистор, который всегда является проводящим, независимо от формы выходного сигнала. Класс A имеет линейность от хорошей до превосходной (и, следовательно, высокую точность воспроизведения / низкие искажения), но очень низкий КПД. Он почти никогда не используется в выходных каскадах усилителя мощности, но идеально подходит для входных каскадов и каскадов высокого уровня усилителя мощности.
На потребительском рынке есть несколько примеров двухтактных усилителей класса А (Krell, Sugden и т. д.). В них используются пары дополнительных (противоположных полярностей) выходных транзисторов, которые при низких уровнях сигнала пропускают весь ток, необходимый для управления подключенным громкоговорителем на полной номинальной мощности. Для приведенного выше примера 100 Вт / 8 Ом будет означать, что транзисторы выходного каскада будут смещены на 2,5 А. При напряжении питания не менее +/- 40 В выходные каскады рассеивают 200 Вт при отсутствии вывода на громкоговоритель — и это только для одного канала!

Из-за положительных качеств, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих кругах аудиофилов. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток: эффективность. Требование к конструкциям класса А иметь все выходные устройства всегда проводящими приводит к значительным потерям энергии, которая в конечном итоге преобразуется в тепло. Это еще больше усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель производит нулевой выходной сигнал. Реальные показатели эффективности класса A могут составлять порядка 15-35% с потенциалом падения до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В двухтактных усилителях класса B каждый выходной транзистор проводит только половину (180 градусов) формы сигнала. Когда нет сигнала, ни один из транзисторов не проводит ток — полная противоположность усилителю класса А. Верхний транзистор NPN пропускает только положительные части сигнала, оставляя нижний транзистор PNP выключенным. И наоборот, нижний транзистор проводит только отрицательные части сигнала, оставляя верхний транзистор выключенным. Усилители класса B намного более эффективны, чем усилители класса A, но они имеют высокие искажения из-за сильной нелинейности в области перехода, где два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Эта форма искажения, называемая кроссоверным искажением, чрезвычайно неприятна для слуха, и поэтому ни в одной конструкции коммерческого усилителя не используется чистый класс B.

Класс AB

Комбинация класса A и класса B, усилитель класса AB имеет гораздо более высокий КПД, чем класс A, но гораздо меньше искажений, чем класс B. Это достигается за счет смещения точки перехода обоих транзисторов — точка. где усилители класса B вносят существенную нелинейность. Затем они переходят в класс B для больших сигнальных токов. Для любой данной конструкции усилителя будет оптимальный ток смещения, который минимизирует (но не устраняет полностью) кроссоверные искажения. Типичный ток смещения составляет 50 мА; таким образом, рассеиваемая мощность в нашем выходном каскаде мощностью 100 Вт составляет 80 В x 50 мА = 4 Вт, что составляет всего 2% от приведенного выше примера класса A. Большинство коммерческих усилителей мощности относятся к классу AB.

На практике ток смещения может отклоняться от оптимума со временем, температурой и уровнем сигнала, и это увеличивает остаточные искажения кроссовера. Было вложено много изобретательности в попытки улучшить это с переменным успехом. Один хороший подход состоит в том, чтобы выключать непроводящий транзистор намного медленнее, чем в обычных конструкциях, используя сочетание положительной и отрицательной обратной связи в выходном каскаде, чтобы он мог работать почти в классе A с выходной мощностью около 10 Вт. 
Легко понять, почему такие конструкции ограничены относительно низкой максимальной мощностью (20–50 Вт (среднекв.) На канал), перегреваются и являются чрезвычайно дорогими.

Класс D

В усилителях класса D используется другой метод, при котором выходные транзисторы (обычно полевые МОП-транзисторы) быстро включаются и выключаются с гораздо большей частотой, чем самый высокий звуковой сигнал, который необходимо воспроизвести. Звуковой сигнал используется для модуляции или изменения соотношения времени включения и выключения сигналов — отсюда и альтернативное название для класса D, класс широтно-импульсной модуляции или ШИМ. Среднее значение этого выходного сигнала после фильтрации нижних частот соответствует фактической требуемой форме звукового сигнала. Обратите внимание, что это по-прежнему аналоговый усилитель — термин цифровой усилитель часто используется для обозначения класса D, но это просто неверно.

Преимуществом класса D является его высокий КПД (80-90%), поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы. Его энергопотребление в режиме покоя сопоставимо с усилителем класса AB. К недостаткам относятся необходимость в дорогих выходных фильтрах, а также некоторая степень электромагнитного излучения / помех от усилителя и кабелей громкоговорителей из-за высоких частот переключения. В целом его качество звука не такое хорошее, как у приличного усилителя класса AB, хотя для лучших представителей класса D этот разрыв сокращается.

Углубляясь в мир класса D, вы также найдете упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи. С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют сгенерированное цифровым способом управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что те, у которых есть контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП впереди ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они обычно предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть небольшая проблема выходного фильтра: обычно это LC-цепь (катушка индуктивности и конденсатор), размещенная между усилителем и динамиками, чтобы уменьшить шум, связанный с работой класса D. Фильтр имеет большое значение: некачественный дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, которые не используют обратную связь на этом этапе отклик может быть настроен на конкретный импеданс, когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от того какую нагрузку на громкоговоритель он видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.

В конечном счете, сложность класса D имеет свои плюсы: эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется в виде тепла, требуется гораздо меньший отвод тепла. Более того, многие усилители класса D используются вместе с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и возможности снижения веса по сравнению с традиционными аналоговыми / линейными источниками питания. Даже очень мощные усилители класса D могут весить всего несколько килограммов. Недостатком источников питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это верно, когда два усилителя мощности с сопоставимым номиналом оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог обеспечивать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, конструкции SMPS становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны. Эти термины относятся к классам усилителей, в которых в интересах более высокого КПД, чем у класса AB, напряжения питания выходного каскада меняются в зависимости от уровня сигнала. Это связано с тем, что отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде музыки довольно велико — обычно 3 к 1 — поэтому полное напряжение источника питания требуется редко. Если вышеупомянутый выходной каскад мощностью 100 Вт обычно работает только при, скажем, +/- 20 В, а не +/- 40 В (теоретическое минимальное значение), то при воспроизведении музыки он будет в среднем намного холоднее. Конечно, сейчас необходимы дополнительные источники питания, но эти затраты могут быть в значительной степени компенсированы меньшим тепловыделением (и меньшими размерами) всей системы.

Термины G и H часто путают — здесь мы используем термин класс G для обозначения усилителей, у которых есть две (или более) пары шин питания, доступных для выходных транзисторов. Они могут переключаться жестко при заданном уровне сигнала или мягко, при этом более высокие шины, представленные на выходном каскаде, модулируются в соответствии с уровнем выходного сигнала. Это соответствует форме выходного сигнала вверх и вниз, чтобы поддерживать небольшое постоянное напряжение около 5 В на выходных транзисторах при высоких уровнях сигнала. 
Усилители класса H используют только один источник питания для выходных каскадов, который можно изменять либо дискретно, либо непрерывно. Он требует более сложной схемы для прогнозирования и управления напряжением питания и отлично подходит для компактных усилителей очень большой мощности, используемых в профессиональных туровых акустических системах (PA).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах переключения шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость. В наши дни это часто сокращается за счет использования сильноточных полевых МОП-транзисторов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей. Помимо стоимости самой коммутации шины / модуляции шины, также стоит отметить, что в некоторых усилителях класса G используется больше устройств вывода, чем в типичной конструкции класса A / B. Одна пара устройств будет работать в обычном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем, другая пара остается в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, и активируется только по мере необходимости. В конце дня, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность делает это целесообразным. Компактные конструкции также могут использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкого энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором. 

Один усилитель на все случаи жизни?

При правильной реализации любая из вышеперечисленных схем, помимо чистого класса B, может стать основой высококачественного усилителя. Неубедительно? Тогда давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждой схемы:

Класс усилителя	Типичная эффективность	Плюсы	Минусы
А	~ 15-35%	Нет кроссоверного искажения.	Неэффективность = нагрев Несимметричные конструкции подвержены гудению и более высокому уровню искажений.
B	~ 70%	Сравнительно высокий КПД.	Возможность значительного кроссоверного искажения и ухудшения качества воспроизведения
А / B	~ 50-70%	Более эффективен, чем класс А. Относительно недорогой. Кроссоверные искажения являются спорным вопросом.	КПД хороший, но не большой.
G и H	~ 50-70%	Повышенная эффективность по сравнению с классом A / B.	Дороже, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достижимы в меньшем форм-факторе.
D	> 90%	Наилучшая эффективность Легкий вес.	Широтно-импульсные модуляторы, работающие на относительно низких частотах, могут поставить под угрозу воспроизведение высокочастотного звука. Некоторые конструкции обеспечивают разное качество звука в зависимости от нагрузки на динамик.

Помимо потенциальных проблем с производительностью (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущи классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости или эффективности. На сегодняшнем рынке преобладает класс A / B, и по уважительной причине: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для устройств с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы мощности с помощью таких усилителей, как 1000-ваттный моноблок Emotiva XPR-1, они обращаются к конструкциям класса G / H и класса D, чтобы их усилители не использовались в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса A, которые могут простить недостаток эффективности в надежде на более чистый звук.

Резюме

В конце концов, классы усилителей не так важны, как некоторые могут подумать. Да, есть важные различия, особенно когда дело касается стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, веса. Безусловно, усилитель класса A мощностью 500 Вт — плохая идея, если только вы не собираетесь использовать его в качестве духовки. С другой стороны, различия между классами на самом деле не определяют качество звука. В итоге все сводится к проектированию и реализации конечного продукта.

Классы усиления — A, AB, D… Что дальше? – Barnsly Sound Blog

Вы сильно удивитесь, но первый электронный усилитель появился на свет еще в 1906 году, когда Ли де Форест изобрел так называемый аудион, а проще говоря — электровакуумный триод. Тогдашние усилители на триодах были, во-первых, однотактными, то есть в них один элемент усиливал весь сигнал, а не одну из его полуволн, а во-вторых работали они в классе А, то бишь усилительный элемент никогда не закрывался и его ток покоя всегда превышал отдаваемый в нагрузку. Главным недостатком этого режима работы является крайне низкий КПД, на практике — порядка 20%, вся остальная энергия фактически уходит в нагрев аппарата.

За триодами последовали тетроды и пентоды, получили дальнейшее развитие и режимы усиления. Ближайший родственник класса А — класс B, это двухтактный усилитель, где одна половина элементов усиливает положительную полуволну сигнала, а другая половина — отрицательную, при этом получается, что половину времени каждое из плечей не работает. Налицо экономия энергии и улучшение мощностных характеристик, типовой КПД такого усилителя составляет 60-70%, а выходная мощность ограничивается только числом элементов в выходных каскадах. Однако этому классу свойственен так называемый эффект отсечки, когда сигнал проходит через нулевую точку и одно из плечей заканчивает свою работу, а другое начинает. Когда в 60-х гг. прошлого века стали появляться первые транзисторные усилители, разработчики, желая обеспечить большую разницу в ТТХ относительно ламповых схем, «загоняли» их практически в чистый класс В, где этот эффект хорошо слышен, особенно на малых уровнях. Чтобы избежать его, необходимо задавать не нулевой ток покоя, а хотя бы на уровне нескольких процентов от максимального. Такой вариант получил название АВ, как совмещающий в себе свойства обоих первичных классов.

Класс D, зачастую ошибочно называемый цифровым, был разработан еще 50-х гг., с использованием ламповой схемотехники, но активное развитие получил лишь в конце 80-х гг. с появлением мощных полевых транзисторов. В основе работы этого класса лежит широтно-импульсная модуляция, а основное его достоинство — крайне высокий КПД, доходящий до 90-95%.

Подведём промежуточный итог. Чистый класс А — удел исключительно матерых аудиофилов (ну если речь не идет про усилитель для наушников или пред, на тех уровнях сигнала это вполне допустимо). Класс В (а фактически АВ, ибо минимальный ток покоя никто не выставляет) — пока еще большая часть звукоусилительной техники. Однако, постепенно, происходит замена АВ на D, как в профессиональной (студийной и концертной), так и в домашней технике, в основном под давлением экологов, хотя вопрос экономии места (а усилители класса D традиционно компактны) тоже стоит достаточно остро.

Что же получается, велосипед уже окончательно изобретен? Да, но нет. Что показывает нам эволюция классов усиления? То, что идет она по пути экономии энергопотребления за счет компромиссов в качестве звучания. А если попытаться сэкономить и не потерять? Напряжение питания оконечных каскадов определяет в том числе и максимальную выходную мощность, которая бывает востребована достаточно редко. Можно запитать каскады не одной, а двумя шинами, при этом первая будет обеспечивать работу на низких уровнях сигнала, а вторая «разгонять» каскады до полной паспортной мощности. Именно так реализованы усилители английской компании Arcam, причем при работе от первой шины аппарат функционирует в чистом классе А. Данный режим работы получил индекс G и обладая всеми преимуществами классического АВ, может похвастаться существенно меньшим энергопотреблением. Фактически, в данном случае можно говорить об адаптивном классе АВ.

Разработчики другой английской компании, Cambridge Audio, пошли еще дальше и в аккурат на 110-ую годовщину триода представили класс XD. К широтно-импульсной модуляции класса D он не имеет никакого отношения, аббревиатура расшифровывается как crossover displacement – управляемое смещение. Их идея заключается в том, что при малом уровне сигнала усилитель работает в классе А, а с ростом выходной мощности переходит в класс В, при этом на нулевом уровне точка смещения находится гораздо меньшее время. КПД такого усилителя лишь немногим меньше традиционного, в классе АВ, а вот уровень искажений существенно ниже.

Усилители мощности класса AB и класса C

Рассмотренный выше усилитель класса A и класса B имеет несколько ограничений. Давайте теперь попробуем объединить эти два, чтобы получить новую схему, которая имела бы все преимущества как усилителей класса A, так и класса B без их неэффективности. Перед этим давайте также рассмотрим еще одну важную проблему, называемую перекрёстным искажением , с которым сталкивается выход класса B.

Перекрёстное искажение

В двухтактной конфигурации два идентичных транзистора входят в проводимость, один за другим, и получаемый выходной сигнал будет комбинацией обоих.

Когда сигнал изменяется или переходит от одного транзистора к другому в точке нулевого напряжения, он вызывает искажения формы выходной волны. Для транзистора, чтобы провести, соединение эмиттера базы должно пересечь 0.7v, напряжение отключения. Время, необходимое транзистору для включения из состояния ВЫКЛ или для выключения из состояния ВКЛ, называется переходным периодом .

В точке нулевого напряжения переходный период переключения транзисторов с одного на другой оказывает свое влияние, что приводит к случаям, когда оба транзистора отключаются одновременно. Такие экземпляры можно назвать Плоским пятном или Мертвой зоной на форме выходной волны.

На приведенном выше рисунке четко показано перекрестное искажение, характерное для выходного сигнала. Это главный недостаток. Этот эффект перекрестного искажения также уменьшает общее пиковое значение выходного сигнала, что, в свою очередь, уменьшает максимальную выходную мощность. Это может быть более ясно понято через нелинейную характеристику формы волны, как показано ниже.

Понятно, что это перекрестное искажение менее выражено для больших входных сигналов, поскольку оно вызывает серьезные помехи для малых входных сигналов. Это перекрёстное искажение может быть устранено, если проводимость усилителя составляет более половины полупериода, так что оба транзистора не будут отключены одновременно.

Эта идея приводит к изобретению усилителя класса AB, который представляет собой комбинацию усилителей класса A и класса B, как описано ниже.

Усилитель мощности класса AB

Как следует из названия, класс AB является комбинацией усилителей класса A и класса B. Поскольку у класса A есть проблема низкой эффективности, а у класса B — проблема искажения, этот класс AB появился, чтобы устранить эти две проблемы, используя преимущества обоих классов.

Перекрестное искажение — это проблема, которая возникает, когда оба транзистора выключены в один и тот же момент в течение переходного периода. Чтобы устранить это, условие должно быть выбрано для более чем половины цикла. Следовательно, другой транзистор попадает в проводимость до того, как рабочий транзистор переключается в отключенное состояние. Это достигается только при использовании конфигурации класса AB, как показано на следующей принципиальной схеме.

Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше, чем половину цикла проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Угол проводимости усилителя класса AB составляет от 180 ^o до 360 ^{o в} зависимости от выбранной рабочей точки. Это понятно с помощью рисунка ниже.

Небольшое напряжение смещения, заданное с использованием диодов D ₁ и D ₂ , как показано на рисунке выше, помогает рабочей точке быть выше точки среза. Следовательно, выходная форма волны класса AB получается, как показано на рисунке выше. Перекрестное искажение, создаваемое классом B, преодолевается этим классом AB, а также неэффективность классов A и B не влияет на схему.

Таким образом, класс AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, с эффективностью, достигающей от 50% до 60%. Усилители классов A, B и AB называются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходного сигнала линейно связаны с амплитудой и фазой входного сигнала.

Усилитель мощности класса C

Когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности известен как усилитель мощности класса C.

Эффективность усилителя класса C высока, а линейность низкая. Угол проводимости для класса С составляет менее 180 ^o . Обычно оно составляет около 90 ^o , что означает, что транзистор остается бездействующим в течение более половины входного сигнала. Таким образом, выходной ток будет подаваться в течение меньшего времени по сравнению с приложением входного сигнала.

На следующем рисунке показана рабочая точка и выход усилителя класса C.

Этот вид смещения дает значительно улучшенную эффективность усилителя примерно на 80%, но вносит сильные искажения в выходной сигнал. Используя усилитель класса C, импульсы, генерируемые на его выходе, могут быть преобразованы в синусоидальную волну определенной частоты с помощью LC-цепей в его цепи коллектора.

А, B, AB, D, G, H / Хабр

Здравствуй, Хабр!

В данной статье мы рассмотрим звуковые усилители классов: А, B, AB, D, G, H

Сначала рассмотрим классы по положению рабочей точки. Каждый транзистор имеет выходную характеристику, которую можно найти в DataSheet.

Пример характеристики на рисунке ниже.

Выходная характеристика транзистора.

Именно с помощью данной характеристики мы сможем выбрать класс усилителя по положению точки покоя.

Выходная характеристика показывает какой ток нам нужно задать базе транзистора, для того чтобы получить определённый класс усилителя, также мы узнаем Iк.

Класс А

Класс А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал.

Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Класс B

Элемент, работающий в данном классе способен усиливать только одну полуволну, положительную либо отрицательную.

Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.

Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.

Класс D

Принцип действия данного класа. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).

Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.

Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Усилители класса G и H

Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).

Усилитель класса H

Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Спасибо за внимание.

Классы эквивалентной мощности A, AB, B, Max в Reference Audio Analyzer

Для прямого сравнения усилителей мощностные характеристики определяются для нескольких режимов по аналогии с классами работы усилителей: A, AB, B и Max.

Обычно, на минимальном уровне громкости усилитель работает с минимальными искажениями, в чистом режиме, эквивалентном классу А. Численное значение искажений в классе А может быть большим, но мы их писхоакутически не слышим. При добавлении уровня громкости искажения растут и меняют свой характер. Мы выявляем пороги перехода изменения характера спектра и определеяем уровни мощности для разных характеров искажений.

Если мы будем сравнивать два усилителя при равной амплитуде, где у них для этой аплитуды будут определены разные типы характера спектров, то с большей долей вероятности качественнее будет звучать тот усилитель, у которого эквивалентный класс будет ближе к классу А.

Чистый режим – эквивалентный класс А

Это режим без гармоник высоких порядков. Это своего рода самый качественный «чистый режим». Для определения эквивалентного режима класса А используется маска, которая строго ограничивает амплитуды гармоник.

Эквивалентным классом А является такой режим, по спектру которого можно сказать, что усилитель работает как в классе А. Это отсутствие гармоник высокого порядка и значительное снижение амплитуд гармоник в сторону высоких порядков. В старых отчетах это был «чистый/clear» режим.

Исключением из этого правила могут быть устройства с собственным ЦАП и аналоговым регулятором громкости, где гармоники высших порядков производит не усилитель, а ЦАП.

У некоторых усилителей может не быть чистого режима или если с ЦАП во всем диапазоне амплитуд высокий уровень искажений. Такие искажения могут быть от ОС смартфонов. В этом случае фиксируются минимальные значения. Наша цель сравнивать усилители, а для общей стандартизации отчетов у усилителя должны быть определены все режимы.

За счет такой стандартизации стало возможным открыть разделы с прямыми сравнениями параметров:

Режим класса АБ

Этот режим является развитием оптимального режима, близкого к чистому режиму. В этом режиме значения гармоник небольшие и убывают по амплитуде в сторону высших порядков. Спектры при этом косвенно напоминают режим АБ.

Режим Б

Этот режим так же является развитием оптимального режима, но уже близкого к режиму клиппинга. Это более высокий уровень гармоник, но аналогично убывающих по амплитуде в сторону высшего порядка.

Максимальный режим

Это режим перед переходом усилителя в клиппирование. В этом режиме гармоники не убывают или достигают высокого уровня.

Так как тестируются не только просто усилители, а плееры, смартфоны, ноутбуки, комбайны и прочие устройства, то нередко случается ситуация, что при выставлении максимального уровня громкости схема усилителя могла бы дать и более высокий уровень сигнала, но этот уровень ограничен выходным уровнем с штатного ЦАП (или кодека). На максимальной амплидуте пороги для тока и напряжения для всех режимов могут быть одинаковыми. По порогам напряжения и тока определяется, в группы каких эквивалентных классов усилительная часть попадает. Это примерно как разделение машин по клиренсу, до 10 см, до 15 см, до 20 см вместо диапазонов от 0 до 10, от 10 до 15 и от 15 до 20 см.

Важной частью определения порогов для тока и напряжения является возможность более точного сравнения усилителей по громкости за счет пересчета напряжения к «музыкальной» мощности, учитывая поправку для тока по плотности музыкального сигнала.

классификация, характеристики, сферы применения — Ozon Клуб

Группы и классы усилителей звука

Начнём с базового понятия – класс усилителя. Под этим термином подразумевают уровень сигнала, который выдает устройство после того, как сигнал поступил и изменился в необходимом диапазоне за один цикл.

Усилители звука разделяют на классы. Из них формируются две большие группы. Выделение класса происходит на основе линейности схемы усиления звука. Каждый разряд преобразователей называют буквами латинского алфавита. Усилитель, названный сочетанием букв, разработан на базе двух отдельных классов для того, чтобы соединить их преимущества.

Формирование классов преобразователей началось в 20-е годы прошлого столетия. До 1955 появились типы А, B, С, а с 60-х годов начался новый этап. Усилителям пришлось пройти долгий путь усовершенствования, на котором старые модели становились прототипами новых. Таким образом, получаются поколения, но каждое новое выходит с отдельным названием. Например, разряды G и H обязаны появлением усилителю разряда В.

Также стоит отметить, что разные сферы электроники создают свои специальные классы. Порой разобраться в усилителях бывает трудно из-за того, что различные производители по-своему называют одинаковые классы. Самые распространенные типы усилителей: A, B, AB, C, D, F, G, S, H, T.

Те устройства, которые имеют похожие характеристики проводимости, а транзистор находится между включением и выключением, формируют первую группу: A, B, AB, C.

Переключающимися усилителями называют другую группу, это: D, E, F, G, S, H, T. Интенсивная модуляция – базовый принцип для изменения звука таких преобразователей. А при помощи цифровых методов добиваются постоянного сигнала между «вкл.» и «выкл.», что обеспечивает необходимый сигнал в диапазоне насыщения на выходе.

Как работает усилитель? Сначала ток встречает на своём пути динамик. Пройдя его, поступает на транзисторы, а те работают по принципу крана – то пропускают, то перекрывают электричество. Как закрываться или открываться, транзисторам указывает специальный сигнал.

Характеристика классов

Усилители класса А дают пользователям возможность устанавливать рабочий режим на линейном участке. Такая настройка обеспечивает эталонное качество звука.

Транзистор устанавливают так, чтобы электрический поток проходил через колонки постоянно, даже когда главный сигнал не входит. Ток одинаковый при нуле (на холостом ходу) и при нагрузке – характеристика, свойственная усилителям только этого класса.

Устройства типа А выделяют много тепла, поэтому их оснащают габаритными системами охлаждения. Также это не позволяет сделать такие приборы более мощными: им нужно время и большое количество энергии, чтобы прогреться для работы. Таким усилителям звука свойственно КПД 40% – это их недостаток.

Усилители класса B создавались для замены А, чтобы максимально убрать минусы.

Для этого разработчики установили пару дополнительных транзисторов, которые улучшают только свою половину сигнала. Ток в режиме покоя равен нулю, а это значит, что нет смещения. Таким образом, КПД устройств повысилось.

Фактически разряд B лучше, чем его предшественник, но уступает классу А по качеству звучания. Это обусловлено тем, что два транзистора усиливают отдельно свою половину волны. Поэтому при переходе сигнала от одной части к другой возникает ступенька, а при низком уровне сигнала на входе звук искажается очень сильно.

Из названия класса «АB» становится понятно, какую цель преследовали создатели таких усилителей. Объединение всех положительных качеств предыдущих устройств дало такой результат:

• конструкция усилителя больше походит на класс B
• транзисторы проводят сигнал одновременно и близко к точкам, где пересекаются осциллограммы
• функцию кранов транзисторы выполняют так, что система вынуждена держать их открытыми почти всегда – это убирает проблему долгого разогрева перед началом работы
• технические особенности значительно уменьшают искажение звука усилителями и поднимают КПД до 50%.

Разряд С не подходит для работы с акустической техникой из-за существенных искажений звука на выходе. Так получается, потому что точку работы сильно сместили по отношению к середине линейного участка на транзисторе.

Сами по себе такие приборы очень продуктивны. Они выдают показатель КПД 80%. Это служит причиной использования преобразователей в радиоприборах и генераторах.

В усилителях класса D принцип работы транзисторов серьёзно отличается от предыдущих разрядов – они функционируют исключительно в режиме «открыт» или «закрыт». А поскольку самое большое количество тепла выделяется при переключении режимов, усилителям этого разряда не свойственно нагреваться.

Такие преобразователи называются нелинейными. Они характеризуются высоким КПД с небольшими затратами электроэнергии. Устройства D легко определить по повышенному КПД (до 98 %), а также экономному расходу электроэнергии.

Самые обычные преобразователи класса D работают по принципу усиления широтно-импульсной модуляции частот меньше 50 кГц. Это их характеризует как устройства аналогового типа, а также определяет качество. Приборы имеют небольшие размеры, вес, цену.

Все эти преобразователи звука считаются более или менее универсальными, а для индивидуальных случаев и конкретных задач существуют другие классы усилителей.

Преобразователи разрядов H-G отличаются от AB лишь наличием большего количества источников напряжения. Такая особенность поднимает значение показателя КПД, уменьшает нагрев, снижает количество потребляемой энергии. Но в таких усилителях искажается звук так, что использовать их с аудиоустройствами нельзя.

Усилитель типа F имеет КПД 90%, что акцентирует их прогрессивность. Чтобы избежать снижения коэффициента полезного действия в таких усилителях, ток и напряжение разделяют. Такое распределение на выходном каскаде называют гармоническим.

Этот вид преобразователей иногда ещё называют «экономичным» или «оптимальным классом С».

Преобразователь класса S работает с КПД 100%. Это нелинейные устройства, напоминающие своими характеристиками класс D. Они делают из аналогового сигнала цифровой, а также усиливают его.

Цифровые преобразователи класса Т оборудованы микросхемами, которые повышают частоты сигналов.

Сферы использования разных классов

Начнём, пожалуй, с самого распространённого класса – D. Эти цифровые устройства (а также аналоговые АВ) хорошо работают для домашней звуковой системы. Обратите внимание, что на усилителях обоих видов должны быть пометки «sound».

В машинах хорошо работают преобразователи класса А, В, АВ, D. АВ самый востребованный класс среди автолюбителей. Он гарантирует звук нормального качества, мощность, чистоту, высокий показатель КПД. Также АВ может работать с сабвуферами мощностью 500-600 Вт.

Разряд D достаточно дорогой, поэтому мало кто из водителей авто их покупает.

Устройства класса D из менее мощной категории часто используют в:

• мобильной технике
• портативной технике
• колонках с соединением Bluetooth
• сабвуферах

Усилителям типа D производители дали широкий спектр возможностей. Это любимые приборы профессиональных музыкантов: почти не греются, не требуют долгой раскачки, во время работы не производят фонового шума, обеспечивают хорошее звучание в маленьких помещениях.

Так же качественно представители класса D работают с digital-сигналом. Они оборудованы специальным преобразователем сигнала из формата PCM в DSD. Эта функция убирает ненужные дополнительные преобразования из аналогового сигнала в цифровой. Процессор DSP исправляет все искажения звука, которые фиксирует специальный микрофон.

Преобразователи класса А почти не используются – за исключением тех случаев, когда нужно настроить акустическую систему для больших площадей.

Устройства класса Т имеют многоканальные элементы звучания в формате 3D, которые очень пригодятся для работы домашнего кинотеатра. 

Усилители мощности класса AB

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Общие сведения об усилителях класса AB.
• • Дополнительная операция.
• • Стабилизация смещения постоянного тока.
• • Температурная стабилизация.
• • Регулировка средней точки.
• • регулировка кроссовера.
• • Отрицательная обратная связь переменного тока.
• • Самозагрузка.
• Поймите необходимость усилителей Quasi AB.

Рис. 5.5.1 Смещение класса AB

Усилители мощности класса AB

Двухтактная выходная схема класса AB немного менее эффективна, чем класс B, потому что в ней используется небольшой протекающий ток покоя для смещения транзисторов чуть выше точки отсечки, как показано на рис.5.5.1, но перекрестное искажение, создаваемое нелинейным участком кривой входной характеристики транзистора, близким к отсечке в классе B, преодолевается. В классе AB каждый из двухтактных транзисторов проводит немного больше, чем полупериод проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

По мере того, как каждый цикл формы волны пересекает нулевое напряжение, оба транзистора на мгновение становятся проводящими, и изгиб характеристики каждого из них компенсируется.

Еще одно преимущество класса AB состоит в том, что использование дополнительной согласованной пары транзисторов в режиме эмиттерного повторителя также дает более дешевую конструкцию. Схема фазоделителя не требуется, поскольку противоположная полярность пары NPN и PNP означает, что каждый транзистор будет проводить на противоположных полупериодах сигнала. Низкое выходное сопротивление, обеспечиваемое подключением эмиттерного повторителя, также устраняет необходимость в выходном трансформаторе согласования импеданса.

Согласование коэффициента усиления по току и температурных характеристик комплементарных (NPN / PNP) транзисторов, однако, сложнее, чем с одним типом транзистора, который используется в работе класса B.Кроме того, при отсутствии эмиттерных резисторов из-за использования режима эмиттерного повторителя труднее поддерживать температурную стабильность. Следовательно, класс AB может иметь большую тенденцию к тепловому разгоне.

Рис. 5.5.2 Применение смещения класса AB

На рис. 5.5.2 показан метод приложения смещения класса AB к комплементарной паре транзисторов. Два резистора R1 и R2 подают напряжение на базы выходного транзистора, так что база Trl (NPN) примерно на 0,6 В положительнее, чем ее эмиттер, а база Tr2 (PNP) равна примерно 0.На 6V больше отрицательного, чем у его эмиттера, который составляет половину V _CC .

Чтобы преодолеть перекрестное искажение, необходимо точно установить смещение на базе каждого транзистора, чтобы транзисторы начали проводить, как только начнется их соответствующий полупериод, поэтому обычно R2 можно настраивать.

Дополнительный двухтактный выходной каскад класса AB

Выходная схема, показанная на рис. 5.5.3, включает многие функции и методы, описанные в модулях усилителя 1–5.Он показывает выходной каскад класса AB (Tr2 и Tr3) и аудиодрайвер класса A (усилитель напряжения) Trl. Схема имеет отрицательную обратную связь по переменному току для уменьшения искажений и шума и расширения полосы пропускания, а также отрицательную обратную связь по постоянному току для стабилизации смещения постоянного тока. Также есть положительная обратная связь, применяемая для увеличения входного импеданса и повышения эффективности. Другие важные особенности включают использование диодов для обеспечения термической стабильности и некоторые регулировки смещения для минимального искажения.

Рис. 5.5.3 Выходной каскад класса AB

Эксплуатация

Управляющий транзистор

Tr1 представляет собой усилитель напряжения класса A, на который подается аудиосигнал переменной амплитуды со входа через регулятор громкости VR1. Смещение для Tr1 обеспечивается через делитель потенциала R2, Vr2 и R3 от соединения эмиттеров Tr2 и Tr3, которые будут составлять половину напряжения питания.

Стабилизация смещения постоянного тока

Смещение для Tr2 и Tr3 обеспечивается током, протекающим через громкоговоритель (который также является выходной нагрузкой для усилителя), R5 и VR3.Это обеспечивает соответствующий базовый ток на Tr2 и Tr3, чтобы эмиттеры Tr2 и Tr3 (средняя точка) составляли половину напряжения питания. Поскольку базовое смещение для Tr1 (через R2, VR2 и R3) берется с эмиттеров Tr2 и Tr3, если напряжение в средней точке увеличивается, смещение на базе Tr1 также увеличивается, вызывая более сильную проводимость Tr1. Следовательно, напряжение коллектора на Tr1 будет падать, что также приведет к падению напряжения на базах Tr2 и Tr3. Поскольку Tr2 — это NPN, а Tr3 — это PNP, это приведет к выключению Tr2 и включению Tr3, уменьшая напряжение в средней точке до тех пор, пока оно не вернется к своему правильному значению, равному половине питания.

Если напряжение в средней точке падает слишком сильно, это приведет к снижению напряжения смещения на Tr1, его выключению и увеличению его напряжения коллектора, а также к базовым напряжениям Tr2 и Tr3. Это действие увеличит проводимость (NPN-транзистор) Tr2 и уменьшит проводимость (PNP-транзистор) Tr3, снова подняв среднюю точку до правильного напряжения.

Температурная компенсация

D1 и D2 — это два кремниевых диода, имеющих такой же потенциал перехода, что и Tr2 и Tr3.Они подключаются через переходы база / эмиттер выходных транзисторов для повышения термостабильности. Когда Tr2 и Tr3 нагреваются, их потенциалы перехода база / эмиттер естественным образом падают. Это привело бы к чрезмерному смещению и большему току в транзисторах, что в конечном итоге привело бы к тепловому разгоне. D1 и D2 обычно устанавливаются на тех же радиаторах, что и выходные транзисторы. Следовательно, по мере нагрева Tr2 и Tr3 будут нагреваться D1 и D2.

У диодов тоже падает потенциал перехода, и они начинают проводить.Поскольку напряжение между двумя базами выходных транзисторов установлено VR1 на 1,2 В в холодных условиях, D1 и D2 изначально просто отключены. Однако, если эти потенциалы диодных переходов упадут из-за нагрева, они начнут проводить и уменьшаться до напряжения между базами Tr1 и Tr2. Таким образом, это уменьшит смещение на выходных транзисторах и, таким образом, поддержит правильные условия смещения класса AB.

Регулировка средней точки

Важно, чтобы напряжение в средней точке поддерживалось точно на уровне половины питания, чтобы получить максимальный выходной сигнал от пика до пика без ограничения какого-либо пика формы волны.VR2 сделан регулируемым, чтобы можно было точно установить напряжение средней точки. Эта регулировка может потребоваться только после изготовления или замены каких-либо компонентов. При отсутствии сигнала вольтметр, подключенный к средней точке, и VR2 настраивается на половину напряжения питания.

Регулировка кроссовера

VR3 — это «регулятор кроссовера», который регулируется синусоидальным сигналом, подаваемым на вход усилителя и наблюдаемым на осциллографе, подключенном к выходной нагрузке, чтобы обеспечить минимальные искажения кроссовера.VR3 можно отрегулировать либо во время производства, либо после замены компонентов, так, чтобы разница напряжений между базами Tr2 и Tr3 была такой, что небольшой постоянный ток (покойный) протекал через базы как Tr2, так и Tr3. Таким образом, напряжение на VR3 будет около 0,6 x 2 = 1,2 В.

Поскольку эффекты VR2 и VR3 взаимодействуют друг с другом, регулировки обычно необходимо повторять несколько раз, каждый раз с уменьшением величины регулировки до тех пор, пока оба не будут правильными, с минимальным напряжением средней точки при половинном питании и минимальными перекрестными искажениями.

В коммерческом оборудовании правильный метод регулировки VR2 и VR3 обычно приводится в руководстве производителя, и эти инструкции следует точно соблюдать. Регуляторы средней точки и кроссовера являются предустановленными регуляторами, и после регулировки во время производства обычно не подлежат повторной регулировке, за исключением случаев, когда компоненты были заменены.

Отрицательная обратная связь по переменному току

Отрицательная обратная связь по переменному току обеспечивается C2 для увеличения полосы пропускания и, в частности, для уменьшения искажений.Это важно, поскольку невозможно полностью устранить искажения кроссовера только осторожным смещением.

Начальная загрузка

Tr2 и Tr3 смещены в классе AB, поэтому должны быть смещены непосредственно перед отключением (то есть с 0,6 В между базой и эмиттером). Схема резисторов смещения для этих транзисторов также образует резистивную нагрузку для Tr1. Следовательно, значение R5 и VR3 определяется напряжениями постоянного тока, необходимыми для правильного смещения базы TR2 и Tr3.

Чтобы обеспечить высокий коэффициент усиления в каскаде драйвера Tr1 класса A, нагрузка коллектора должна иметь как можно большее сопротивление; это противоречит требованиям постоянного тока для смещения Tr2 и Tr3.Однако резистор нагрузки коллектора Tr1 фактически должен иметь только высокое сопротивление сигналам переменного тока; Если удастся найти способ придать R5 и VR3 высокий импеданс на звуковых частотах и ​​при этом сохранить соответствующее (гораздо более низкое) сопротивление на постоянном токе, можно увеличить усиление в каскаде драйвера Tr1.

Для достижения этого увеличения усиления, положительная обратная связь по переменному току (самонастройка) обеспечивается C2, который возвращает выходной сигнал переменного тока к вершине R5. Этот сигнал переменного тока находится в фазе с сигналом на базах Tr2 и Tr3, и положительная обратная связь обычно вызывает колебания, но этому препятствует тот факт, что Tr2 и Tr3 работают в режиме эмиттерного повторителя, а коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя меньше. чем 1 (обычно около 0.9).

Рис. 5.5.4 Квазикласс AB

Это означает, что какой бы ни была амплитуда напряжения сигнала на коллекторе Tr1, около 0,9 этого сигнала появляется в верхней части R5, поэтому напряжение переменного тока, развиваемое на VR3 и R5, составляет только одну десятую от сигнала на коллекторе Tr1, поэтому значение сопротивления (переменный ток) VR3 и R5 оказывается в десять раз выше, чем оно есть на самом деле, что дает увеличение усиления Tr1 в 10 раз без какого-либо изменения сопротивления постоянному току VR3 и R5.

Квази-класс AB

Дополнительные выходные каскады могут эффективно использоваться для усилителей мощности, но по мере увеличения мощности выше нескольких ватт становится все труднее найти транзисторы PNP и NPN с характеристиками, достаточно близкими для обеспечения равного усиления положительных и отрицательных полупериодов. Одним из решений является использование квазикомплементарного выходного каскада, как показано на рис. 5.5.4. В этой схеме комплементарная пара малой мощности (Tr1 и Tr2) используется для управления парой выходных транзисторов NPN высокой мощности (Tr3 и Tr4).

Начало страницы

В чем разница между усилителями класса AB и класса D?

Вы можете подумать, что одинаковые имена означают, что оба класса работают одинаково.

На самом деле все гораздо сложнее. Итак, в чем разница между усилителями класса AB и класса D?

Усилители

классов AB и D работают по-разному и не применимы к одним и тем же устройствам. У них тоже разные результаты.

Единственное, что у них общего — это имя.Мы расскажем вам все, что вам нужно знать о различиях, но сначала давайте посмотрим, что такое класс усилителя.

Что такое класс усилителя?

Усилители

работают путем преобразования поступающего постоянного напряжения в переменный ток через трансформатор. Затем он смешивает мощность и стереофонический сигнал для генерации сильноточного выходного сигнала.

Класс усилителя — это система, отвечающая за смешивание напряжения и сигнала. Классы различаются в зависимости от типа используемого усилителя.Некоторые из них более эффективны, чем другие, а некоторые обеспечивают большую точность, чем другие.

Существует пять известных классов усилителей: класс A, класс B, класс AB, класс C и класс D.

Но мы здесь, чтобы обсудить различия между усилителями класса AB и класса D.

Класс AB по сравнению с классом D — все, что вам нужно знать

Мы расскажем вам все об этих двух классах и о том, что их отличает друг от друга.

Класс AB

Совершенно очевидно, что класс AB представляет собой комбинацию усилителей класса A и класса B.Обновление направлено на решение проблем обоих классов. Результатом стало повышение эффективности, и именно это и произошло. Усилители класса AB в настоящее время являются наиболее часто используемым классом усилителей в домашних кинотеатрах и стереосистемах.

Вместо проблем с искажениями усилителей класса B, усилители класса AB позволяют обоим устройствам работать одновременно. Таким образом, кроссовер с формой волны не вызывает искажений. Более того, он предлагает на 60% большую эффективность, чем класс A.

Класс D

Усилитель класса D на самом деле является аналоговым устройством.Тогда почему буква «Д»? Причина проще, чем вы думаете. Это была следующая буква в алфавите после класса C. Мы сейчас сбрасываем бомбы знаний на вашу голову!

Метод работы

Каждый класс работает иначе, чем другой. Давайте посмотрим, чем рабочий класс AB отличается от рабочего класса D.

Класс AB

Class AB работает как комбинация класса A и класса B. Исключение состоит в том, что он модернизирует метод проводимости класса B, вместо того, чтобы выходить на 180 градусов в двухтактном устройстве, он поднимается до 200 градусов.

Это помогает снизить вероятность разрыва цикла, что, следовательно, означает, что искажения значительно уменьшаются.

Он делает это, удерживая пару двухтактных транзисторов постоянно включенной. Они не выключаются внезапно, как на предыдущих занятиях.

Класс D

Класс D работает по-своему, в отличие от большинства других классов, которые работают аналогичным образом. Он выдает постоянный ток в виде высокочастотных импульсов; более 100 кГц.

Затем импульсы подстраиваются под сигнал в процессе, называемом «широтно-импульсной модуляцией».То есть, если сигнал громкий, пульс становится шире и так далее.

Это заставляет импульсы проходить через транзисторы для получения выходного сигнала.

Особенность усилителей класса D заключается в том, что транзисторы либо работают на полную мощность, либо выключаются вообще без питания. Нет никакого промежуточного; это в основном из-за получаемых ими импульсов постоянного тока. Этот метод обеспечивает эффективность 90%.

Приложения

Класс AB

Благодаря их высокой линейности и качественному выходу, энтузиасты аудио предпочитают усилители класса AB другим классам.Чаще всего они используются в домашних кинотеатрах.

Усилители

класса AB также используются в усилителях мощности звука, Hi-Fi-системах и AV-ресиверах Hi-Fi. Простой дизайн и минимальное искажение делают возможным использование в чувствительных условиях.

Класс D

Усилители

класса D теперь используются во многих областях. Например, это самый распространенный усилитель для систем громкой связи и динамиков. Кроме того, теперь он используется почти во всех автомобильных аудиосистемах.

Усилители

класса D приобрели широкую популярность благодаря своему небольшому размеру и легкому весу.Таким образом, вы можете носить их с собой и носить где угодно. Они также не выделяют столько тепла, как другие усилители.

Преимущества и недостатки

Каждый класс усилителей имеет свои достоинства и недостатки. Эти преимущества / недостатки должны помочь вам решить, какой усилитель вам подходит.

Преимущества класса AB

Class AB имеет относительно простую конструкцию. С ним легко справиться даже неопытный. Кроме того, он имеет линейное поведение, что означает, что выходной сигнал схемы является точным умножением входного.

Кроме того, выход усилителя имеет уровень искажений менее 0,1%. В результате получается чистый высококачественный звук.

Класс AB Недостатки

Самым заметным недостатком усилителей AB является выделяемое тепло. Для рассеивания мощности требуется большой радиатор.

Более того, эффективность усилителей класса AB ниже, чем у других. Средний КПД не превышает 50%.

Преимущества класса D

КПД 90% — самая выдающаяся характеристика усилителей класса D.Более того, меньшая рассеиваемая мощность обеспечивает минимальное тепловыделение.

Усилители

класса D также малы по размеру и портативны.

Недостатки класса D

В отличие от усилителей класса AB простой конструкции, усилители класса D намного сложнее.

Кроме того, переключение выходных транзисторов вызывает искажение звука. В отличие от усилителей AB с низким уровнем искажений.

Последние мысли

Если вы ищете портативный усилитель небольшого размера, который может поместиться где угодно, класс D — ваш лучший выбор.Также бонусом является выходная эффективность 90%.

С другой стороны, если вы ищете усилитель, с которым легко обращаться, усилители класса AB станут для вас хорошим вариантом. Кроме того, низкий уровень искажений обеспечивает чистый звук. Имейте в виду, что предусилитель тоже должен хорошо подходить.

классов усилителей мощности (пояснения к усилителям классов A, B, AB, C, D)

В электронике усилитель является наиболее часто используемым схемным устройством с огромными возможностями применения.В электронике, связанной с аудио, предварительный усилитель и усилители мощности — это два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, помимо этой цели, связанной с конкретным приложением, существуют огромные различия в различных типах усилителей, в основном в усилителях мощности. Итак, здесь мы рассмотрим различных классов усилителей , а также их преимущества и недостатки.

Классификация усилителей с использованием букв

Классы усилителей определяют характеристики и характеристики усилителя.Усилители мощности разных типов дают разные отклики при прохождении через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям присваиваются разные буквы или алфавиты, которые представляют их классы. Существуют разные классы усилителей, начиная с A, B, C, AB, D, E, F, T и т. Д. . Из этих классов наиболее часто используемые классы аудиоусилителей — это A, B, AB, C. Другие классы — это современные усилители, которые используют топологию переключения и метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления выходной нагрузкой.Иногда улучшенной версии традиционных классов присваивается буква, чтобы отнести их к другому классу усилителя, например, усилитель класса G является модифицированным классом усилителя класса B или усилителем класса AB.

Классы усилителя представляют собой пропорцию входного цикла, когда ток проходит через усилитель. Входной цикл — это угол проводимости, определяемый синусоидальной волновой проводимостью на входе усилителя. Этот угол проводимости сильно пропорционален усилителям по времени в течение полного цикла. Если усилитель всегда включен во время цикла, угол проводимости будет составлять 360 градусов . Таким образом, если усилитель обеспечивает угол проводимости 360 градусов, тогда усилитель использовал полный входной сигнал, а активный элемент проводился в течение 100% периода времени полного синусоидального цикла.

Ниже мы продемонстрируем традиционные классы усилителей мощности , начиная с класса A, B, AB и C, , а также продемонстрируем усилитель класса D, который широко используется в схемах переключения.Эти классы используются не только в усилителе мощности, но и в схемах аудиоусилителей.

Усилитель класса A Усилитель

класса A — это усилитель с высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью. В случае усилителя класса A угол проводимости составляет 360 градусов. Как мы заявили выше, угол проводимости 360 градусов означает, что усилитель остается активным в течение всего времени и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

Как мы видим на изображении, здесь один активный элемент, транзистор. Смещение транзистора все время остается включенным. Благодаря этой функции никогда не выключаться усилитель класса A обеспечивает лучшую стабильность на высоких частотах и ​​петле обратной связи . Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко собрать из одного компонента и минимального количества деталей.

Несмотря на достоинства и высокую линейность, безусловно, имеет множество ограничений.Из-за непрерывной проводимости усилитель класса A имеет большие потери мощности . Также из-за высокой линейности усилитель класса A обеспечивает искажения и шумы. Блок питания и конструкция смещения требуют тщательного выбора компонентов, чтобы избежать нежелательных шумов и минимизировать искажения.

Из-за больших потерь мощности в усилителе класса A он выделяет тепло и требует большего радиатора. Усилители класса А имеют очень низкий КПД, теоретически КПД варьируется от 25 до 30% при использовании с обычной конфигурацией.Эффективность можно повысить, используя конфигурацию с индуктивной связью, но КПД в этом случае составляет не более 45-50%, поэтому подходит только для целей усиления с низким уровнем сигнала или с низким уровнем мощности.

Усилитель класса B

Усилитель класса B немного отличается от усилителя класса A. Он создан с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла , то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный токовый привод нагрузки.

На изображении выше показана идеальная конфигурация усилителя класса B. Он состоит из двух активных устройств , которые смещаются одно за другим в течение положительного и отрицательного полупериода синусоидальной волны , и, таким образом, сигнал подталкивается или подтягивается к усиленному уровню как с положительной, так и с отрицательной стороны и объединяет результат, который мы получаем в течение полного цикла. выход. Каждое устройство включается или становится активным на половине цикла, и за счет этого КПД повышается, по сравнению с КПД усилителя класса A 25-30%, теоретически он обеспечивает КПД более 60%.Мы можем увидеть график входного и выходного сигнала каждого устройства на изображении ниже. Для усилителя класса B КПД составляет не более 78%. Тепловыделение в этом классе сведено к минимуму, обеспечивая малое пространство для теплоотвода .

Но и у этого класса есть ограничение. Очень серьезным ограничением этого класса является искажение кроссовера . Поскольку два устройства обеспечивают каждую половину синусоидальных волн, которые объединяются и объединяются на выходе, возникает несоответствие (переход) в области, где объединяются две половины.Это связано с тем, что, когда одно устройство завершает полупериод, другое должно обеспечивать такую ​​же мощность почти в то же время, когда другое завершает работу. Эту ошибку сложно исправить в усилителе класса А, так как во время активного устройства другое устройство остается полностью неактивным. Ошибка приводит к искажению выходного сигнала. Из-за этого ограничения это серьезный недостаток для применения в точных аудиоусилителях.

Усилитель класса AB

Альтернативный подход для преодоления перекрестных искажений заключается в использовании усилителя AB.Усилитель класса AB использует промежуточный угол проводимости обоих классов A и B, поэтому мы можем видеть свойство усилителя как класса A, так и класса B в топологии усилителя этого класса AB. Как и класс B, он имеет ту же конфигурацию с двумя активными устройствами, которые проводят половину циклов по отдельности, но каждое устройство смещено по-разному, поэтому они не отключаются полностью в момент непригодности (момент перехода). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидального сигнала, вместо этого они проводят небольшой ввод в течение другого полупериода.Используя эту технику смещения, рассогласование кроссовера в мертвой зоне резко уменьшается.

Но в этой конфигурации эффективность снижается из-за нарушения линейности устройств. Эффективность остается выше, чем у типичного усилителя класса A, но ниже, чем у системы усилителя класса B. Кроме того, необходимо тщательно выбирать диоды с одинаковым номиналом и размещать их как можно ближе к выходному устройству.В некоторых схемных конструкциях разработчики стремятся добавить резистор небольшого номинала, чтобы обеспечить стабильный ток покоя на устройстве, чтобы минимизировать искажения на выходе.

Усилитель класса C

Помимо усилителя классов A, B и AB, существует еще один усилитель класса C. Это традиционный усилитель, который работает иначе, чем усилители других классов. Усилитель класса C — это настроенный усилитель, который работает в двух разных рабочих режимах, настроенном или ненастроенном. Эффективность усилителя класса C намного выше, чем у усилителя A, B и AB. Максимальный КПД 80% может быть достигнут в операциях, связанных с радиочастотами

Усилитель

класса C использует угол проводимости менее 180 градусов. В ненастроенном режиме, секция тюнера не включается в конфигурацию усилителя. В этой работе усилитель класса C также дает огромные искажения на выходе.

Когда на схему воздействует настроенная нагрузка, она ограничивает уровень выходного смещения со средним выходным напряжением, равным напряжению питания.Настроенная операция называется фиксатором . Во время этой операции сигнал приобретает правильную форму, а центральная частота становится менее искаженной.

При типичном использовании усилитель класса C дает КПД 60-70%.

Усилитель класса D Усилитель

класса D — это коммутирующий усилитель, использующий широтно-импульсную модуляцию или ШИМ. В этом случае угол проводимости не имеет значения, так как прямой входной сигнал изменяется с переменной шириной импульса.

В этой системе усилителей класса D линейное усиление не принимается, поскольку они работают как обычный переключатель, который имеет только две операции: ВКЛ или ВЫКЛ.

Перед обработкой входного сигнала аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов с помощью различных методов модуляции, а затем подается в систему усилителя. Поскольку длительность импульсов связана с аналоговым сигналом, он снова восстанавливается с использованием фильтра нижних частот на выходе.

Усилитель класса D — это усилитель класса с наивысшим КПД в сегментах A, B, AB, а также C и D.Он имеет меньшее тепловыделение, поэтому необходим небольшой радиатор. Схема требует различных переключающих компонентов, таких как полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но мы должны иметь в виду, что это не цифровой преобразователь. Хотя для более высоких частот усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения по полосе пропускания в зависимости от возможностей фильтра нижних частот и модуля преобразователя.

Усилители других классов

Помимо традиционных усилителей, есть еще несколько классов: класс E, класс F, класс G и H.

Усилитель класса E — это высокоэффективный усилитель мощности, использующий переключающую топологию и работающий на радиочастотах. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основными компонентами, используемыми с усилителем класса E.

Class F — усилитель с высоким сопротивлением гармоник.Он может управляться прямоугольной или синусоидальной волной. Для входа синусоидальной волны этот усилитель может быть настроен с помощью катушки индуктивности и может использоваться для увеличения усиления.

Класс G использует переключение шин для снижения энергопотребления и повышения эффективности. А Class H — это дальнейшая улучшенная версия Class G.

Дополнительные классы — усилители специального назначения. В некоторых случаях буквы предоставляются производителем для обозначения их патентованного дизайна.Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является торговой маркой особого типа переключающего усилителя класса D, используемого в технологиях усилителя Tripath, который представляет собой запатентованную конструкцию.

Что такое усилитель класса AB?

Усилители

класса AB сочетают в себе лучшие характеристики классов A и B.

Усилители

класса AB — это гибриды, взявшие лучшее из обеих родительских категорий.

Это помогает понять, что такое классы A и B, чтобы понять, почему AB важен для автомобильной аудиосистемы.

В прошлый раз мы рассматривали усилители класса D. Что с этими другими буквами?

Можно подумать, что существует система оценок, судя по внешнему виду самих категорий. Но нет.

Ни один из классов усилителей не может быть лучше другого. И не все усилители одинаковы. Существует множество уникальных и разнообразных приложений и причин выбирать один усилитель вместо другого.

Отличительными факторами категории усилителя являются линейность, КПД и выходная мощность.

Классы усилителя описывают топологию усиления.

То есть, как работают усилители и передают амплитуду исходному сигналу.

В этой статье основное внимание будет уделено источникам питания, эффективности и различию категорий для A, B и AB.

Что касается мощности, усилители выдают меньше, чем заложено в них. На них подается входной сигнал низкого напряжения от такого источника, как ваш телефон или радио.

Они увеличивают амплитуду этого входного сигнала, пытаясь создать точный сигнал в выходном каскаде.Их эффективность — это отношение выходной мощности к потребляемой мощности.

Неиспользованная энергия преобразуется в тепло. Существует баланс между точностью воспроизведения и эффективностью, что приводит к множеству классов усилителей.

Классы A, B и AB — аналоговые усилители. Аналоговые усилители имеют уровень теплоты или окраски, который некоторые аудиофилы считают предпочтительным по сравнению с выходом цифровых усилителей. Цифровые усилители менее склонны к окрашиванию сигнала, поэтому они идеально подходят для подэтапа.

Аналоговые усилители особенно полезны для средних и высоких частот из-за такой окраски.

В чем разница между усилителями класса A и B?

Усилители

класса A имеют чистый выходной сигнал с очень низким уровнем искажений.

Их транзистор или полевой транзистор имеет постоянное смещение. Это означает, что полевой транзистор активен в течение всего цикла ввода. Электропитание постоянное, без рабочего цикла.

Обеспечивает идеальную линейность или точную копию входного сигнала.Это дает линейную форму волны или сигнал высокого качества с минимальными искажениями или без них.

Качество сигнала также является самым большим недостатком A-класса. Поскольку его источник питания постоянно включен, при работе тратится много энергии.

Это сила, которая превращается в тепло.

Уровень эффективности усилителя класса

A может составлять всего 25%.

Даже когда усилители класса A работают на холостом ходу и не вырабатывают мощность, их потребляемая мощность остается стабильной. Это создает много тепла, до 75% потребляемой усилителем мощности превращается в тепло.

Можете ли вы представить себе, что 75% мощности автомобильной стереосистемы превращается в тепло? Это не принесло бы радости ни усилителям, ни пассажирам.

Чтобы решить эту проблему, были разработаны более эффективные усилители.

Усилители

класса B намного эффективнее, но не обладают таким же качеством звука.

Они улучшают конструкцию класса A, заменяя один полевой транзистор двумя активными полевыми транзисторами, которые работают по двухтактному циклу.

Это двухтактное разделение цикла между источниками питания.Один источник питания обрабатывает отрицательное напряжение, а другой транзистор — положительное.

Благодаря этому двойному источнику питания усилители класса B могут эффективно использовать 60-70% входной мощности. Эта эффективность достигается за счет качества звука в усилителях класса B.

Усилители класса B

создают кроссоверные искажения.

Это из-за мертвой зоны при пересечении рабочих циклов. Перекрестные искажения нельзя отфильтровать с помощью фильтров высоких и низких частот, это проблема самой конструкции.

Перекрестное искажение вызвано спадом обработки сигнала в мертвой зоне между двумя источниками питания. Небольшая задержка между циклами создает нелинейную форму волны.

Незначительная и короткая пауза в сигнальной цепи приводит к неприятным искажениям. Хотя их эффективность значительно улучшается по сравнению с мощностью класса A, усилители класса B не могут воспроизводить достоверный аудиосигнал из-за их нелинейной обработки сигнала.

Эффективность не имеет большого значения, если сигнал не является точной копией входного.

Усилители класса AB

Верность без компромиссов.

Class AB — это сочетание двух дизайнов, сочетающих лучшее из обоих миров. В нем используются некоторые сильные стороны усилителей класса A и B, а также улучшаются недостатки обеих категорий.

Class AB использует два полевых транзистора или транзистора, как и в классе B.

Два полевых транзистора работают как оба родительских транзистора. Они по-прежнему работают в рабочем цикле, как у класса B, но работают больше как полевые транзисторы A-класса.

Усилители

класса AB смещают рабочие циклы, вызывая перекрытие циклов полевых транзисторов в точке кроссовера. Это перекрытие обеспечивает лучший контроль над кроссовером цикла.

Там, где циклы пересекаются с мертвыми зонами для эффективности в классе B, полевые транзисторы AB имеют прямое смещение, при этом циклы слегка перекрываются.

Это перекрытие обеспечивает более стабильную, почти линейную работу. Это компенсирует дефицит качества звука между родительскими классами.

Полевые транзисторы

AB не имеют мертвой зоны, как усилители класса B.

Из-за этого кроссоверные искажения уменьшаются до более низкого уровня, чем могут иметь усилители класса B. Это создает более плавный и точный тон, чем способен на класс B.

За счет одновременной работы двух транзисторов и смещения обоих, фаза кроссовера класса AB уменьшается, а искажения сводятся к минимуму.

Хотя ни одна из родительских группировок не идеальна для автомобильной аудиосистемы, усилители класса AB обеспечивают лучшее из обоих миров, уменьшая при этом проблемы, которые создают усилители класса A и B.Они сохраняют конфигурацию эффективности класса B и имитируют линейность выходного сигнала класса A, смещая транзисторы выше порогового значения.

Усилители

класса AB очень полезны в усилителях большой мощности.

Class AB идеально подходят для автомобильной аудиосистемы, так как они могут обрабатывать высокие частоты без искажений.

Готовы к работе с собственным усилителем класса AB?

Сформируйте свой опыт. Получите здесь.

Нужна помощь в установке усилителя? Ознакомьтесь с нашим руководством по установке здесь.

A, B, AB, C, D и т. Д. »Электроника

Способ работы усилителя определяется его классом — широко используются классы усилителей, включая A, B, AB, C, D и другие.

---

Концепции конструкции усилителя Включает:
Основные концепции Классы усилителя

---

Усилители классифицируются в зависимости от того, как они смещены и работают.

Классы усилителей, включая Класс A, Класс B, Класс AB, Класс C и т.п., широко используются при рассмотрении технических характеристик усилителей и их конструкции.

Класс усилителя выбирается в соответствии с общими требованиями. Разные классы усилителей обладают разными характеристиками, что позволяет усилителю работать определенным образом, а также с определенным уровнем эффективности.

Обзор классов усилителей

Усилители разных классов имеют разные рабочие характеристики. Это делает разные типы усилителей подходящими для разных ситуаций. Табличное резюме их различных характеристик приводится ниже.

Обозначения классов усилителя и сводка характеристик
Класс усилителя	Описание	Угол проводимости θ
Класс A	Проведение на всех 360 ° цикла	θ = 2π
Класс B	Проводимость происходит в течение половины цикла, то есть на 180 °	θ = π
Класс AB	Проводимость происходит в течение чуть более половины цикла, т.е.е. чуть больше 360 °	θ <θ <2π
Класс C	Проводимость возникает менее чем на 180 ° цикла, но это создает искажение	θ <π
Классы от D до T	Усилители этих классов используют методы нелинейного переключения для повышения эффективности.	НЕТ

Усилители класса А

Усилитель класса A смещен так, что он проводит в течение всего цикла формы волны.Он проводит все время, даже при очень слабых сигналах или при отсутствии сигнала.

Усилитель класса A по своей сути является наиболее линейной формой усилителя, и он обычно смещен, чтобы гарантировать, что выходной сигнал самого устройства, прежде чем он будет пропущен через конденсатор связи или трансформатор, будет составлять половину напряжения шины, что допускает скачки напряжения. одинаково по обе стороны от этой центральной точки. Это означает, что самый большой сигнал может быть обработан до того, как он достигнет верхней или нижней шины напряжения.

Обычно усилитель класса A начинает становиться нелинейным, когда сигнал приближается к любой шине напряжения, поэтому в этой ситуации обычно не работают.

Для правильной работы усилителя в условиях класса A ток отсутствия сигнала в выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки для пика любого сигнала.

Поскольку выходное устройство всегда проводит этот ток, это означает потерю мощности в усилителе. Фактически, максимальная теоретическая эффективность, которую может достичь усилитель класса A, составляет 50% эффективности при индуктивной связи по выходу или всего 25% при емкостной связи.На практике полученные фактические цифры намного меньше этого по ряду причин, включая потери в цепи и тот факт, что формы сигналов обычно не остаются на своих максимальных значениях, где достигаются максимальные уровни эффективности.

Соответственно, усилитель класса A обеспечивает линейный выходной сигнал с наименьшими искажениями, но также и с наименьшим уровнем эффективности.

Усилители класса B

Усилитель класса B смещен так, что проводит более половины формы волны.Используя два усилителя, каждый из которых проводит половину сигнала, можно охватить весь сигнал.

Для этого используются два активных устройства, а форма входного сигнала разделяется таким образом, чтобы одно активное устройство проводило в течение половины цикла ввода, а другое — в течение другой половины. Две половины суммируются на выходе усилителя для восстановления полной формы сигнала.

Иногда усилители класса B называют «двухтактными», потому что выходы активных устройств имеют фазовое соотношение 180 °.Однако в наши дни этот термин используется менее широко — он имел тенденцию быть очень распространенным, когда использовались вакуумные лампы / термоэлектронные клапаны, а в последние годы термин вышел из употребления.

КПД намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемых перекрестных искажений, когда одна половина усилителя отключается, а другая начинает действовать. Это происходит из-за нелинейностей, возникающих вблизи точки переключения, когда одно устройство включается, а другое выключается.Эта точка, как известно, является нелинейной, и искажение особенно заметно для сигналов низкого уровня, где нелинейный участок кривой представляет гораздо большую часть общего сигнала.

Хотя максимальная теоретическая эффективность усилителя класса B составляет 78,5%, типичные уровни эффективности намного ниже.

Усилители класса AB

Как и следовало ожидать, усилитель класса AB находится между классом A и классом B. Он направлен на преодоление перекрестных искажений путем небольшого включения транзисторов, чтобы они работали чуть больше половины цикла, и два устройства перекрывали друг друга на некоторое время. небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая кроссоверные искажения.

Этот подход означает, что усилитель жертвует некоторым потенциальным КПД ради лучшей линейности — в точке кроссовера выходного сигнала наблюдается гораздо более плавный переход. Таким образом, усилители класса AB жертвуют частью эффективности ради снижения искажений. Соответственно, класс AB — гораздо лучший вариант, когда требуется компромисс между эффективностью и линейностью.

Классы AB1 и AB2
Термоэмиссионные клапаны или вакуумные лампы широко использовались для мощных звуковых и радиочастотных линейных усилителей.Для экономии затрат, веса и энергопотребления усилители использовались в классе AB, и часто упоминались два подкласса усилителей: класс AB1 и AB2. Эти подклассы применимы только к термоэлектронной технологии или технологии вакуумных трубок, поскольку они относятся к способу смещения сетки:

• Класс AB1: Класс AB1 — это то место, где сеть смещена более отрицательно, чем в классе A. В классе AB1 клапан смещен так, что ток в сети не течет. Этот класс усилителя также дает более низкие искажения, чем тот, который работает в классе AB2.
• Класс AB2: Класс AB2 — это то место, где сетка часто имеет более отрицательное смещение, чем в AB1, а также размер входного сигнала часто больше. В этом классе ток сети течет в течение части положительного полупериода входного сигнала. Это нормальная практика, когда точка смещения сети класса AB2 находится ближе к отсечке, чем это происходит в классе AB1, а класс AB2 дает большую выходную мощность.

Усилители класса C

Усилитель класса C смещен так, что он проводит меньше половины цикла.Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достичь очень высокого уровня эффективности. Этот тип усилителя может использоваться для РЧ-усилителей, которые передают сигнал без амплитудной модуляции — его можно без проблем использовать для частотной модуляции. Гармоники, создаваемые усилителем, эффективно работающим в режиме насыщения, могут быть удалены фильтрами на выходе. Эти усилители не используются для аудио приложений из-за уровня искажений.

Усилители

класса C обычно используют одно активное устройство, которое смещено в свою выключенную область.При подаче сигнала верхние пики сигнала заставляют устройство работать в режиме проводимости, но, очевидно, только в течение небольшой части каждого цикла входной формы волны.

На выходе схема использует высокодобротный низкочастотный резонансный контур. Эта схема эффективно звонит после каждого импульса, так что выходной сигнал приближается к синусоиде. На выходе требуется фильтрация, чтобы гарантировать достаточно низкий уровень гармоник.

Обычно угол проводимости транзистора значительно меньше 180 ° — часто около 90 °.Уровни КПД могут достигать 80%, но значения 66% являются более нормальными, если учитывать потери в цепи и т. Д.

Усилитель классов от D до T

Существует множество различных классов усилителей, которые, как правило, основаны на методах переключения, а не на аналоговых подходах.

• Усилитель класса D: В усилителе звука класса D используется технология переключения внутри усилителя. Поскольку выходные устройства либо включены, либо выключены, усилители класса D теоретически могут достичь уровня эффективности 100%.В действительности фактические достигнутые уровни меньше, но тем не менее достигнутые уровни эффективности намного выше, чем у других аналоговых классов.

  Один из первых усилителей класса D для использования звука был представлен Синклером в Великобритании примерно в 1964 году. Хотя концепция была хороша в теории, усилитель не работал особенно хорошо, и когда это было так, усилитель, как правило, вызывал большое количество помех. помех местному радио и телевидению, поскольку меры предосторожности по электромагнитной совместимости в то время обычно не применялись к оборудованию.

• Усилитель класса G: Класс G — это усилитель, в котором используется несколько источников питания, а не только один. Для сигналов низкого уровня используется источник низкого напряжения, но по мере увеличения уровня сигнала используется источник высокого напряжения. Это постепенно приводится в действие до достижения полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию, поскольку дополнительная мощность используется только тогда, когда она действительно требуется. Изменение как более высокого напряжения питания может быть достигнуто без ущерба для точности выходного сигнала.Таким образом, усилитель может обеспечить как низкие уровни искажений, так и высокий уровень эффективности. Этот подход может быть сложным для разработки с нуля, но при правильной разработке он может хорошо работать. К счастью, сложность проектирования можно уменьшить, если использовать одну из многих аудио микросхем класса G.

В наши дни разработчику доступно гораздо больше рабочих классов усилителей. Современные кремниевые технологии открыли гораздо больше возможностей, но, несмотря на это, три основных класса усилителей: класс B и класс C с производным классом AB, который представляет собой нечто среднее между классами A и B, по-прежнему используются наиболее широко.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Разница между усилителями класса A и класса AB

Разница между усилителями класса A и класса AB заключается просто в точке смещения транзисторов.В случае класса A транзистор смещен так, что в течение всего цикла ВЧ-входа транзистор работает в пределах своей линейной части. В случае класса AB часть цикла входа фактически выключает транзистор.
Это означает, что в случае усилителя класса A выходной сигнал является точным воспроизведением входного сигнала, тогда как в случае класса AB некоторое искажение неизбежно.

Что это означает и что мне нужно учитывать при принятии решения, какой тип усилителя мне нужен?
По возможности всегда следует выбирать усилитель класса AB, так как он будет дешевле и эффективнее.Но сможете ли вы это сделать, будет зависеть от вашего конкретного приложения. Если вы просто пытаетесь подать мощность для вашего приложения, такого как нагрев или перемешивание, то класса AB обычно будет достаточно.
Однако, если точность передаваемого вами сигнала важна для вас и вам требуется информация от этого сигнала, то, вероятно, вам потребуется усилитель класса A.

E&I оценивает все свои усилители по точке сжатия 1 дБ. (Для определения компрессии 1 дБ см .: Компрессия 1 дБ) Это точка, в которой усиление мощности на 1 дБ ниже линейного диапазона.Спецификация, которую мы используем для определения искажения, — это гармоническая составляющая. Уровень содержания гармоник указан как дБн. Это уровень гармонического сигнала ниже основной гармоники, измеряемый в дБ. (Определение дБ см. В децибелах). Содержание гармоник в наших усилителях обычно указывается при номинальной мощности и -25 дБн. Наши усилители всегда имеют двухтактную конфигурацию, в результате чего вторая гармоника оказывается ниже третьей. Таким образом, в то время как вторая гармоника будет в районе -40 дБн, вполне возможно, что на некоторых частотах третья может достигать -25 дБн.Мы не указываем содержание гармоник в наших усилителях класса AB. Однако для сравнения: наихудшая 3-я гармоника для нашего усилителя класса AB обычно может составлять от -14 до -15 дБ

Как работает автомобильный аудиоусилитель — выходной каскад класса AB

Продолжая рассмотрение того, как работают автомобильные аудиоусилители, давайте обсудим, как работает классический выходной каскад усилителя класса AB, и объясним, почему он по-прежнему является эталоном для высоких частот. -конечные аудиосистемы.

Как работает выходной каскад класса AB?

Недавно мы рассмотрели источник питания, входной каскад и принцип работы выходных каскадов класса D, чтобы ваш автомобильный аудиоусилитель воспроизводил музыку.Если вы вернетесь к истокам мощных автомобильных аудиоусилителей, вы обнаружите дизайн класса AB.

Усилитель класса A использует единственный выходной транзистор для добавления тока к выходному сигналу для управления динамиком. Когда музыка не воспроизводится, выходное устройство наполовину включено и сильно нагревается. Думайте о выходе как о резисторе. Если вы подключите два небольших резистора последовательно к источнику питания, через нагрузку будет протекать большой ток. Точно так же работает усилитель класса А.

Усилители класса B используют пару выходных устройств и распределяют обязанности по подаче напряжения между каждым устройством.Когда музыка не воспроизводится, оба устройства выключены, и на динамик не подается напряжение. Проблема с усилителями класса B, как обсуждали ребята из BestCarAudio.com в своей статье о искажении усилителя класса AB, заключается в том, что при смещении напряжения на одном из диодов транзистора возникает мертвая зона. Результат отсутствия компенсации этого требования смещения примерно 0,7 В называется кроссоверным искажением.

Выходной каскад усилителя класса AB

Усилитель класса AB представляет собой усилитель класса B с небольшим напряжением смещения, приложенным к выходным устройствам, чтобы они были готовы к воспроизведению музыки.В разных конструкциях усилителей используются разные величины смещения, чтобы сбалансировать эффективность и плавность хода.

Удивительное высокочастотное расширение

Усилители класса AB высокого класса известны своей расширенной высокочастотной характеристикой. Многие топовые усилители могут воспроизводить частоты выше 80 кГц с линейной линейкой и низким уровнем искажений. Если вы создаете аудиосистему, совместимую со звуком высокого разрешения, этот расширенный высокочастотный отклик имеет решающее значение.

Низкое выходное сопротивление

По сравнению с усилителями класса D, которые используют катушки индуктивности и конденсаторы на своих выходах, усилители класса AB, за исключением конфигураций с источниками питания переменного напряжения (часто называемые конструкциями класса G или класса H), в них не нуждаются. устройств. В результате меньше отклонений выходного напряжения от импеданса нагрузки и более предсказуемая характеристика.

Изображение: Voce.jpg

Эффективность и производительность

На низких и средних уровнях мощности усилители класса AB не так эффективны, как усилители класса D, потому что выходные устройства действуют как резистивные делители напряжения на шинах источника питания.Таким образом, усилителям AB требуются радиаторы большего размера, чтобы обеспечить их надежную работу. По мере приближения к верхним пределам выходных возможностей усилителя AB, их эффективность становится такой же, как у усилителя класса D. Устройства вывода почти полностью включены или выключены.

Испытайте максимальное усиление автомобильной аудиосистемы

Если вы твердо намерены собрать лучшую аудиосистему для своего автомобиля, посетите местного специализированного продавца аксессуаров для мобильных устройств и спросите об использовании усилителей класса AB.Да, вам нужно будет найти для них место в вашем автомобиле, но потрясающая четкость и детализация, которые они обеспечивают, стоят затраченных усилий.

Эта статья написана и подготовлена ​​командой www.