Site Loader
Posted on 23.04.2023

Как работает усилитель класса D

Усилители класса D начали массово использоваться в Hi-Fi лет 30 (или даже больше) назад. И все это время их конструкция и параметры совершенствовались. Эволюция этой технологии постепенно привела к тому, что, качество звука усилителей данного класса стало как минимум не хуже конструкций более традиционного для Hi-Fi класса A/B — разумеется, если разработчики правильно применяют данную технологию. Что ж, давайте поближе познакомится с усилителями D-класса.

По порядку рассчитайся!

Начнем с того, что буква D в названии этих усилителей выбрана исключительно как следующая по алфавиту после A, В и C, которыми были обозначены классы усилителей по мере их разработки. Но, если различия между первыми тремя хотя и значительны, но в целом позволяют отнести их к одному общему виду с точки зрения схемотехники, то класс D – это совсем другой «зверь».


Как мы помним, в классах A, B, A/B и C выходные каскады усилителей имеют дело с непрерывным сигналом, и при их работе та или иная часть энергии от источника питания расходуется впустую (то есть в тепло).

Как следствие — необходимость использования пассивных или активных устройств для охлаждения, а также блоков питания с избыточной мощностью. Что вполне логично приводит к увеличению размеров и веса таких усилителей. Кстати, именно из-за непрерывного режима работы усилители перечисленных классов обычно называют «линейными», и для их обозначения мы также для краткости воспользуемся этим термином.


При разработке усилителей класса D было решено придумать схему, в которой бы вся (ну или почти вся) энергия блока питания преобразовывалась в выходной сигнал, подаваемый на колонки. И этого удалось достичь, переведя усилитель из линейного режима работы в импульсный. На первом рисунке показана упрощенная схема усилителя класса D. В принципе, у этой схемы есть определенное сходство с двухтактными усилителями линейного класса, и даже использование на выходе так называемых полевых МОП-транзисторов не является чем-то необычным. Применение в усилителях класса D именно таких транзисторов является принципиально важным, так как только они обладают необходимым быстродействием для передачи импульсного сигнала.

Оптимальный КПД такого усилителя был бы достигнут, если бы его выходные транзисторы могли переключаться мгновенно, то есть находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. В реальном мире таких транзисторов пока еще не существует, но даже эффективность типичного усилителя класса D почти в два раза превышает эффективность схемы A/B-класса — более 90 процентов против примерно 50-ти.

Модуляция по широте

Ключевым же (в прямом и переносном) смысле схемы усилителя класса D является компаратор. Компаратор — это электронный «кирпичик», который имеет два входа: назовем их входом A и входом B. Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение.


На рисунке 2 показано, что делает компаратор в усилителе класса D. На один вход (вход A) подается сигнал, который нужно усилить (линия синего цвета). На другой вход (вход B) поступают треугольные импульсы фиксированной частоты от специального задающего генератора (красная линия). В тот момент, когда уровень входного сигнала превышает уровень сигнала с генератора, выходной сигнал компаратора становится положительным. Когда входной сигнал оказывается ниже уровня «треугольника», выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна уровню сигнала в каждый момент (нижний график). Все просто, не правда ли? Теперь вы знаете, что такое широтно-импульсная модуляция или ШИМ — именно она чаще всего и используется в усилителях класса D.

Далее, выходной сигнал фильтруется для удаления помех и сглаживания формы, и подается на колонки, для работы которых он уже не будет ничем отличаться от получаемого с обычных линейных усилителей.


Чем чаще, тем лучше

Важно понимать, что чем выше частота импульсов задающего генератора, тем более детальным будет звучание усилителя.

Например, если эта частота составит 300 кГц (что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты), то усилитель класса D уже можно отнести к Hi-Fi. Динамический диапазон его звука и отношение сигнал / шум также зависят от частоты задающего генератора — чем она выше, тем лучше. Однако недостатком увеличения этой частоты является то, что с ее ростом усилитель класса D будет становиться менее эффективным, то есть будет терять принципиальное преимущество перед линейными схемами.


Конструкция усилителя Pro-Ject MaiA – без компромиссов

Еще один момент заключается в том, что схема класса D – это все-таки не вечный двигатель и для того, чтобы развить высокую выходную мощность, такому усилителю нужен соответствующий блок питания. Да, его энергия будет использоваться гораздо более эффективно, чем в линейных усилителях, но тем не менее мощность блока питания усилителя класса D должна немного превышать показатель его выходной мощности. А с ростом частоты задающего генератора потребляемая усилителем класса D энергия также будет расти.

Ограничения класса D

Если бы класс D был идеальным, то такие усилители уже полностью захватили бы мир Hi-Fi. Но, как и у любой другой технологии, у класса D есть свои недостатки. Пожалуй, можно начать со значительного уровня помех, которые способны генерировать подобный усилитель. И «простым» экранированием его схемы задачу по их устранению не решить — излучателем помех является акустический кабель, если из выходного сигнала не полностью удалены импульсы, вносимые генератором. За удаление этих помех отвечает фильтр на выходе усилителя, и именно от правильности его расчета и исполнения зависит качество звучания усилителя класса D.

Вторая проблема класса D напрямую связана с первой. Выходной фильтр на выходе такого усилителя пассивный, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, а значит, рассчитан на подключения определенного сопротивления. А мы уже знаем, что сопротивление колонок, указанное в их паспортных данных — например, 8 Ом — является величиной непостоянной, меняющейся в зависимости от частоты сигнала.

Это сопротивление (точнее, импеданс, а значит еще и импеданс и емкость) подключенных колонок значительно влияет на параметры фильтра, снижая его эффективность.

И, в-третьих, усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования нагрузки. Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (на самом деле все гораздо сложнее, но пока не будем погружаться в частности) Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диффузоров динамиков колонок. Хороший усилитель не просто двигает диффузор вперед и назад, а контролирует его перемещение по всей траектории. Для этого и необходим высокий коэффициент демпфирования.


Новый усилитель Pro-Ject Stereo Box DS2 удваивает выходную мощность при переходе с 8 на 4-Омную нагрузку

Нет предела совершенству

Совершенствование технологии усилителей класса D привело не только к улучшению их звучания, но и упрощению конструкции, в том числе и за счет появления ряда специализированных микросхем.

Как и обычно в Hi-Fi, по-настоящему качественный усилитель класса D нельзя сделать дешевым, однако есть много устройств, где данная технология реализована буквально «за копейки». Фактически из преимуществ данной технологии в них остаются только значительная выходная мощность при миниатюрных размерах (и то в сочетании с не самой высокой надежностью), но о качестве звука там можно забыть. К сожалению, многие меломаны, услышав такие усилители, в дальнейшем считают подобное звучание характерным для всех моделей класса D. Но к счастью, на рынке есть компании, чьи D-усилители как минимум не уступают, а то и превосходят по качеству звука сравнимые по цене аппараты, выполненные по классическим линейным схемам, одновременно являясь более компактными и мощными. Как знать, может быть это и есть будущее Hi-Fi индустрии?

При подготовке публикации использовались материалы с сайта: https://www.soundonsound.com/techniques/what-class-d-amplification#top


Статья о о классах усилитлей

Классы усилителей

 

 

 

Основное назначение усилителя мощности – это управление громкоговорителями. Он обеспечивает подачу высокого напряжения и тока на нагрузку, которая имеет низкое сопротивление, а благодаря большому диапазону частот – усиленный сигнал будет характеризоваться минимальным уровнем искажений. Усилители производится в двух исполнениях: в виде отдельного устройства, а так же, как функциональный модуль, являющийся частью более сложной конструкции. Судить о работе любого усилителя можно по его эффективности, а также по уровню генерации тепла. Другими словами – чем меньше тепла выделяется устройством – тем оно лучше. Впрочем, эта характеристика обуславливает и уровень его энергоэффективности.

 

Конструкция усилителя

 

 

 

Усилитель складывается из определенной цепи каскадов усиления, которые определенным образом связаны друг с другом. Каскады усиления еще называют – ступенями усилителя. Они состоят из одного, либо же нескольких усилительных элементов, схемы нагрузки и каналов, обеспечивающих взаимодействие между соседними ступенями. В качестве усилительных элементов могут использоваться специальные транзисторы, лампы, либо туннельные диоды. Кроме прямых обратных связей, бывают также и отрицательные. Последние в частности снижают уровень искажений и обеспечивают стабильную работу устройства. Между каскадами часто монтируются потенциометры, либо же аттенюаторы, позволяющие изменять уровень усиления, а также различные фильтры для регулировки и формирования устойчивой частотной характеристики. Усилители бывают аналоговыми и цифровыми. Так, аналоговые устройства усиливают, но не оцифровывают сигнал. А цифровые, путем аналогово-цифровых преобразований аналогового сигнала, выдают сигнал уже в цифровом формате.

Классификация усилителей

Принадлежность усилителя к тому или иному классу маркируется латинской буквой. Покупатели на эту букву смотрят прежде всего, так как она обозначает режим функционирования усилительного элемента.

Класс А

Усилители, принадлежащие к этому классу относятся к наиболее простым. Они собираются на базе одного транзистора. Поэтому нелинейные искажения в данном случае практически исключены. Устройства этого класса редко используются в схемах выходного каскада, но становятся идеальным вариантом для входных каскадов. Устройства А-класса составляют основу первого каскада усилителей любых других классов. Все просто: любые помехи, а также искажения с первого каскада усиливаются всеми последующими. Особенностью работы устройств А-класса – является выделение громадного тепла на транзисторе. Для этого требуются достаточно громоздкие системы охлаждения, а кроме того, эти усилители характеризуются высоким энергопотреблением. Усилители класса А, имеют массу недостатков, но аудиофилы считают их настоящим стандартом качества. Все потому, что усилитель выдает точный и практически не искаженный сигнал. Вместе с тем малая эффективность, скромный КПД и значительные энергозатраты при высоком уровне выделения тепла делают такие модели менее востребованными.

Преимущества:

– Практически отсутствуют искажения.

Недостатки:

– Малая мощность.

– Скромный КПД.

– Высокий уровень энергопотребления.

– Выделяют много тепла.

Класс B

Устройства, составляющие класс В – преимущественно двухтактные. У них выходные транзисторы проводят лишь 1/2 волны. По эффективности, они значительно превосходят класс А, однако, из-за характерного для них кроссоверного искажения – существенно искажают сигнал. Поэтому устройства класса В, в «чистом» так сказать, виде используются очень редко. Они оказались полностью вытесненными устройствами D класса.

Класс AB

Наибольшее распространение получили усилители именно этого класса. Они составляют большую часть AV-ресиверов, используемых в стереоусилителях и домашних кинотеатрах. В этом классе усилителей удачно скомбинированы все лучшие достижения классов А и В. Поэтому КПД устройств класса АВ значительно выше, чем у класса А, ну а сигнал искажается гораздо меньше, чем в классе В. Особенность устройств, принадлежащих к классу АВ, состоит в том, что здесь достигнут компромисс между нагреванием усилителя и качеством звучания. Кроме того эти устройства собираются на основе простых схем, к элементам которых не предъявляется особых требований по качеству. Это достоинство позволяет использовать рассматриваемый класс усилителей во множестве различных моделей.

Преимущества:

– Имеют больший КПД, чем устройства А-класса.

– Более низкий уровень искажений сигнала, чем в В-классе.

– Меньший нагрев, чем у класса А.

– Использование простой схемотехники.

Недостатки:

Уровень искажений выше, чем в А-классе.

Класс D

Разработчики постоянно развивают и совершенствуют модели данного класса, поэтому они достаточно популярны и часто используются в профессиональной и бытовой аудио аппаратуре, а также во многих портативных устройствах. Кроме того они самые эффективные, а их КПД может достигать 90%. Эффективность моделей этого класса обусловлена типом и высокой частотой модуляции, поэтому используется более сложная схемотехника, которая требует качественных компонентов, что неминуемо повышает конечную стоимость устройства. Но пользователи с удовольствием платят за хорошее качество звука. Отличие устройств, принадлежащих к классу D, от АВ, состоит в том, что для первых характерно сохранение низкого уровня искажений – причем во всем диапазоне громкости. Усилители класса D используют дельта-сигма-модуляцию. С ее помощью шумы выводятся в полосу ультразвука, поэтому человеческое ухо их попросту не воспринимает.

Маломощные усилители класса D активно используются в портативных устройствах. Усилитель состоит из микросхемы, не требующей каких-либо дополнительных фильтров. Благодаря обратной связи компенсируется большая часть искажений и пульсации питания. Помимо этого с помощью высокой частоты модуляции убираются «лишние» высокие частоты. Одним из преимуществ устройств D-класса является то, что они не нуждаются в прогреве, причем даже модели, имеющие большую мощность. Этого не скажешь о классе А: здесь устройство для того, чтобы выйти на паспортные характеристики, нуждается в прогреве. Кроме того, это усилители содержат DSP (цифровой сигнальный процессор), компенсирующий большинство фазово-частотных искажений, возникающих из-за акустических особенностей помещения и самих динамиков. Подобная комбинация цифрового усилителя с цифровым процессором позволяет получить высококачественный звук, который может быть ограничен лишь возможностями динамика. Любому профессионалу важен конечный результат, поэтому настоящие ценители в основном и выбирают усилители D класса.

Преимущества:

– Высокая эффективность.

– Компактность и относительно небольшой вес.

– Практически отсутствует фоновый шум.

– Низкий уровень теплоотдачи.

– Мгновенная готовность к работе.

Недостатки:

– В конструкции используется сложная схемотехника.

– Высокая цена.

Классы G, H, E, F

Усилители G и H класса – являются аналогами устройств, принадлежащих к классу АВ. Их конструкция предполагает использование дополнительных источников напряжения, которые подключаются в процессе работы к выходному каскаду. В частности, для Н-класса – один источник питания, для G-класса – может применяться два и более.

Напряжение, питающее выходной каскад таких устройств будет изменяться в соответствии с уровнем сигнала, что способствует повышению КПД усилителя. Характеристики устройств, относящихся к классу Н, просто идеально подходят для компактных усилителей большой мощности, которые применяются в большинстве профессиональных туровых акустических систем. Более высокий КПД имеют усилители E и F классов. У них переключение транзистора осуществляется в момент, когда ток через него не проходит. Но из-за больших искажений сигнала устройства E и F классов для усиления звука практически не используются.

Преимущества:

– Эти усилители имеют высокую эффективность.

– Низкий уровень теплоотдачи.

– Компактность.

Недостатки:

– Высокая цена.

Выводы

Из вышесказанного можно заключить, что любой усилитель, причем независимо от своего класса может быть как хорошим, так и плохим. Конечный результат зависит от использованной в устройстве схемотехники. Важным показателем усилителя является его КПД, а у D-класса – он самый высокий. Выбирая конкретную модель усилителя, стоит обратить внимание на две особенности: это выдаваемая мощность при заданном сопротивлении нагрузки и стоимость устройства. Наибольшей популярностью сегодня пользуются усилители АВ класса. В их конструкции воплощается оптимальное соотношение вышеназванных характеристик: они хорошо работают, а также имеют сравнительно небольшую стоимость. Вместе с тем аудиофилы предпочитают класс А, так как он выдает чистый звук. Профессионалы, имеющие деньги часто покупают D-класс, имеющий высокий КПД и множество вспомогательных устройств, выполняющих дополнительное динамическое преобразование звука, например: лимитер, эквалайзер, кроссовер. Они даже позволяют настраивать задержку аудио сигнала, которая необходима для достаточно крупных инсталляций, где акустические системы могут быть расположены в сотне метров от сцены. Просто не существует предела совершенству, впрочем, как и поиску новых решений. Постоянно экспериментируйте, ищите и находите наилучшие решения для своих задач.

Что такое усилитель класса D? Каковы его преимущества и недостатки

Что такое усилитель класса D? Каковы его преимущества и недостатки

Дом