Что такое линейный и нелинейный режимы работы усилителя
Опубликовано: 17.09.2024
Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать, что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ). В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения.
В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и имеющих различные области применения.
В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С.
Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется - классом D.
На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале "EDN Europe": "Сочинение новых классов усилителей - не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы. ".
Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются - уровень нелинейных искажений и КПД каскада. Поговорим поподробней о каждом из режимов.
1. Режим класса А.
На рисунке Рис.1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), представляющая собой зависимость выходного тока каскада от поступающего на вход напряжения. Синим - входное напряжение, чёрным - соответственно, выходной ток элемента.
Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной характеристики, а любые допустимые значения входного сигнала (напряжения или тока) не вызывают изменения выходного тока.
Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А?
Как минимум не ниже пикового тока, отдаваемого каскадом в нагрузку!
Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений, в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов.
В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре класса High End.
2. Режим класса В.
Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики усилительного элемента (Рис. 2), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток, а соответственно и потребляемая каскадом мощность близки к нулю.
В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма.
Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ.
3. Режим класса АВ.
Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение на передаточной характеристике между началом координат и серединой линейного участка (Рис.3).
В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана таким образом, что при нулевом напряжении на входе усилительный элемент наглухо заперт (Рис.4).
Если рассматривать каскады на биполярных транзисторах - то р.т. находится за точкой отсечки полупроводника, т.е. на 0,6. 0,7В ниже начала области относительной линейности.
Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к 100%. Хотя на практике реальные значения КПД составляют 80. 90%.
4. Режим класса D.
Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%) значение КПД устройства.
Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей.
А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД - 90. 95%.
Рис.5
На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Работает это устройство следующим образом.
Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности).
После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал первоначальной гармонической формы.
Выглядит это примерно так:
Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная - нижним.
Поскольку подробная информация о типах, модификациях и принципах работы ключевых усилителей класса D довольно скудно представлена на полях сетевых знаний, то этому классу мы посвятим отдельную статью, где и возместим данную несправедливость. И сделаем мы это, не отходя от кассы, подробно и без матерных излишеств, но на следующей странице.
Усилительный каскад в зависимости от назначения может работать в следующих режимах: А, В, АВ, С, D.
Режим класса а
Режимом класса А усилительного элемента называется режим работы избирательного усилителя, при котором угол отсечки равен π.
Определение. Углом отсечки называется часть периода гармонического сигнала, подводимого к активному элементу, уменьшенная в два раза и выраженная в угловых единицах, в течение которых через этот элемент протекает электрический ток.
Обозначается угол отсечки символом θ. В этом режиме форма выходного сигнала практически полностью повторяет форму входного. Для создания такого режима необходимо, чтобы рабочая точка А (точка покоя UВХ=0) находилась в центре линейного участка характеристики усилительного элемента (рис.6.6). При воздействии входного напряжения его амплитуда не должна выходить за пределы этого линейного участка (крайние точки В и С). Поэтому этот режим называется режимом линейного усиления.
На выходе УЭ кроме гармонического сигнала с амплитудой первой гармоники IA1 присутствует и постоянная составляющая тока I0.
Достоинством режима класса А является низкий уровень нелинейных искажений. В то же время недостатком режима является низкий КПД (η=20÷30%), причиной которого является значительный расход энергии источника питания вследствие большой постоянной составляющей выходного тока I0 (рис.6.6). В силу указанных достоинств и недостатков режим класса А используется в маломощных усилителях напряжения и мощности.
Рис.6.6. Режим усиления класса А
Остальные режимы усиления относятся к нелинейным. При работе усилителя в этих режимах форма выходного и входного сигнала не совпадает – происходит искажение сигнала. Выходной ток протекает через УЭ только в течение некоторой части периода изменения входного напряжения и характеризуется двумя параметрами: максимальным значением выходного тока и углом его отсечки θ.
Режим класса В
Режимом класса В называется режим работы усилительного элемента, при котором угол отсечки θ равен π/2 (рис.6.7). Для получения режима класса В рабочая точка (точка А) выбирается так, как показано на графике (рис.6.7).
Рис. 6.7. Режим усиления класса В
При синусоидальном входном напряжении выходной ток имеет форму чередующихся через полупериод синусоидальных импульсов: положительный полупериод пропускается, а отрицательный не проходит. Так как в этом режиме изменяется форма выходного сигнала, то имеет место высокий уровень нелинейных искажений.
Достоинством режима является возросший уровень КПД, который достигает 60–70%. В этом классе усиления работают избирательные усилители мощности гармонических и импульсных сигналов.
Режим класса АВ
Режим класса АВ – режим работы УЭ, при котором угол отсечки находится в пределах (π/2÷π).
В этом режиме КПД ниже, чем в режиме класса В, но значительно выше, чем в режиме класса А. Недостатком режима являются сильные искажения формы сигнала.
Этот режим применяется в выходных каскадах даже при относительно малых уровнях выходной мощности.
Режим класса С
Режим класса С – режим работы УЭ, при котором угол отсечки менее π/2 (рис.6.8). Для создания такого режима рабочая точка А должна находиться левее нижнего сгиба входной характеристики.
Рис.6.8. Режим усиления класса С
Этот режим самый экономичный: η=70÷90%. Вместе с тем, усилители, работающие в режиме класса С, вносят наибольшие искажения. Обычно в этом режиме работают мощные резонансные (избирательные) усилители.
Представляется важным знать, как изменяется КПД усилителя в различных режимах работы (при различных углах отсечки θ).
КПД усилителя определяется выражением η = Р / Р0 , (6.18.)
где − полезная мощность, выделяемая в контуре при условии его настройки в резонанс;
Iа1 – амплитуда тока первой гармоники;
Uа – напряжение на аноде;
Р0=Iа0Eа – мощность, подводимая к усилителю;
Iа0 – постоянная составляющая тока.
Подставив в формулу (6.18) значения Р и Р0, можно получить
В режиме класса А отношение Iа1/Iа0 не превосходит единицу, и отношение Uа/Eа 1. Таким образом в идеальном случае КПД в режиме класса А не превышает 50%. Только половина мощности источника питания обращается в полезную. Остальная часть мощности РА= Р0 – Р = (1 - η)Р/η бесполезно расходуется на аноде лампы, превращаясь в тепло. В реальных условиях КПД в этом режиме η = 20÷30%.
В то же время амплитуда первой гармоники Iа определяется выражением
где Imax – мгновенное значение анодного тока;
α1 – коэффициент первой гармоники, являющийся функцией угла отсечки θ.
Постоянная составляющая тока определяется выражением
где α0 – коэффициент постоянной составляющей тока.
Коэффициент α0 также является функцией угла отсечки. Коэффициенты α0, α1 называются коэффициентами Берга и сводятся в таблицы.
Если в выражение (6.19) подставить значения Iа1, Iа0, то можно получить
Полагая, что в идеальном случае (UA/EA) ≈1, в формулу (6.22) можно подставить значения α1, α0 для различных режимов усиления.
Тогда в режиме класса В, когда угол отсечки θ = 90 о , а коэффициент Берга α1= 0,5; α0 =1/π, КПД будет равен η = π/4 ≈ 0,785, или η = 78,5%.
В режиме класса С, когда угол отсечки θ = 60%, а коэффициенты Берга α1=0,391; α0 = 0,218, КПД будет равен η = 0,9, или η = 90%.
Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что самым экономным режимом работы является режим класса С с углом отсечки менее 90 о . При θ→1 КПД η→1, но при этом полезная мощность стремиться к нулю. Это связано с тем, что с уменьшением угла отсечки θ и увеличением длительности паузы средняя мощность потерь уменьшается
На практике обычно работают с углами отсечки, лежащими в пределах 30÷90 о (режимы классов В и С), и с КПД η = 0,75 ÷ 0,95 (75÷95%).
Режим класса D
В режиме класса D усилительный элемент, как правило транзистор, поочерёдно находится в одном из двух состояний: «полностью открыт» или «полностью закрыт». Переход из одного состояния в другое происходит практически мгновенно, что уменьшает потери энергии и резко увеличивает КПД. Усилители класса D в настоящее время из-за значительной сложности схемы используются редко. Однако они весьма перспективны для мощных устройств, выполненных на маломощных усилительных элементах.
Выводы по 2-му вопросу:
1. Наличие колебательного контура, в качестве нагрузки, в резонансном усилителе позволяет использовать его как в линейном, так и в нелинейных режимах работы. Апериодические усилители, для сравнения, могут работать только в линейном режиме.
2. Для получения минимальных искажений используется линейный, а для получения максимального КПД – нелинейные режимы усиления.
Режимы работы усилительных приборов. Классы усилителей
Понятие режима работы или класса усилителя определяется соотношением анодного тока покоя к величине тока сигнала и формой анодного тока. До сих пор во всех примерах рассматривались усилители класса А, хотя данный факт до сих пор никак не акцентировался. Для исправления указанного упущения необходимо ввести некоторые определения.
Режим класса А
При этом режиме величина анодного тока покоя всегда задается такой, чтобы даже при минимально возможном значении входного сигнала (а также и при его отсутствии) анодный ток не снижался до нулевого значения. Иными словами, лампа, работающая в классе А, никогда не запирается. Если на вход (управляющую сетку) такого каскада усиления будет подано синусоидальное напряжение, форма анодного тока также будет синусоидальной. Режим класса А характеризуется наилучшей линейностью усиления, однако по энергетической эффективности он самый плохой. Теоретическое значение максимального КПД при синусоидальной форме выходного сигнала в режиме класса А равно 50%. Наиболее простое тому объяснение — большой ток покоя, существующий даже при полном отсутствии входного сигнала. Низкий КПД кроме очевидного высокого энергопотребления, неудобен тем, что на анодах ламп рассеивается повышенная тепловая мощность, что уменьшает максимально достижимую полезную мощность, отдаваемую ими.
Режим класса В
В этом режиме ток покоя равен нулю, а сам анодный ток протекает только при действии положительной полуволны входного сигнала. Таким образом, лампа заперта в период действия отрицательной полуволны входного сигнала. Так как входной сигнал фактически претерпевает однополупериодное выпрямление, в сигнале возникают существенные искажения в виде гармоник. Для решения данной проблемы приходится принимать дополнительные меры (применение двухтактных схем усиления). Однако, в режиме класса В анодный ток существует при любом значении амплитуды входного сигнала, что не нарушает линейности амплитудно-амплитудной характеристики усилителя. Теоретическое значение максимального КПД (при полном использовании лампы по напряжению и току, что на практике недостижимо) при синусоидальной форме выходного сигнала в случае двухтактного усилителя класса В составляет 78,5%. Это напрямую связано с отсутствием тока покоя.
Режим класса С
В режиме класса С время протекания анодного тока меньше времени действия положительной полуволны входного сигнала. Данный метод используется только в ВЧ усилителях радиопередатчиков, в которых могут использоваться резонансные методы восстановления основной гармоники сигнала. Это режим характеризуется гораздо более высокими значениями КПД и уровнем искажений по сравнению с применяемым в усилителях режимом класса В.
Угол отсечки. Режим класса АВ
Для характеристики длительности той части полупериода, в течение которой протекает анодный ток, радиоинженеры используют термины угловая длительность импульса и угол отсечки. Под угловой длительностью импульса тока понимается часть периода (выраженная в радианах), в течение которой существует анодный ток. Под углом отсечки (наиболее часто применяемом для количественного описания режима работы усилительных приборов) понимается половинное значение этой длительности. Используя данный термины, и учитывая, что полный период гармонических колебаний равен 360°, можно сказать, что для усилителей класса А длительность импульса тока равна целому периоду (ток непрерывен), а угол отсечки равен 180°. Для усилителей класса В угол отсечки составит 90°, а для усилителей класса С он составляет менее 90°.
Так как переходная область между классом А и классом В в их чистом виде достаточно обширна, то ввели промежуточный класс усилителей, известный как режим класса АВ, где анодный ток существует более полупериода, а угол отсечки превышает 90°, но не достигает 180°.
На рис. 7.4 приведена идеализированная проходная характеристика лампы (считая проницаемость равной нулю). Как видно из рисунка, режим работы усилителя (определяемый формой анодного тока) зависит от напряжения смещения на сетке лампы. В режиме класса А смещение выбирается на середине линейного участка проходной характеристики, благодаря чему анодный ток существует весь период действия входного (сеточного) напряжения. В усилителях класса В напряжение смещения выбирается равным напряжению отсечки проходной характеристики лампы, что запирает ее при всех более отрицательных напряжениях. Поэтому только во время действия положительного полупериода входного сигнала обеспечиваются условия для существования анодного тока. В режиме класса С напряжение смещения выбирается более отрицательным, чем напряжение отсечки лампы. Чем более отрицательное смещение выбрано, — тем меньше будет угол отсечки. Для получения режима класса АВ, наоборот, смещение выбирается менее отрицательное, чем напряжение отсечки. В этом случае, чем менее отрицательное смещение выбрано, тем больше будет угол отсечки.
Режимы классов АВ1 и АВ2
В аудиотехнике, как правило, вводят дополнительную классификацию режимов АВ, опираясь на наличие или отсутствие тока управляющей сетки.
Режимом АВ1 считается режим класса АВ, при котором ток управляющей сетки не существует. Большая часть мощных (свыше 50 Вт) классических усилителей представляют собой двухтактные усилители класса АВ 1.
Рис. 7.4 Соотношение между формой входного сигнала и анодным током для усилителей классов А, В и С
Режимом АВ2 считается режим, при котором входной сигнал создает положительный относительно катода потенциал на сетке, что создает условия для протекания сеточного тока. Это увеличивает эффективность работы, так как при этом условии остаточное анодное напряжение может в большей степени приближаться к нулевому значению, что особенно важно при работе триодов. С началом протекания сеточного тока входное сопротивление выходного каскада катастрофически падает (в соответствии с соотношением 1/gm) и в этих условиях для задающего каскада должно выполняться требование иметь очень низкое выходное сопротивление, чтобы обеспечить передачу обработанного сигнала в эту исключительно нелинейную нагрузку без искажений. Единственным способом снизить влияние этого дополнительно возникающего источника искажений является применение сеточного резистора утечки с низким значением сопротивления, который пропускал бы больший по величине ток сигнала по сравнению с ожидаемым сеточным током; таким образом, в момент, когда протекает сеточный ток, относительное изменение тока нагрузки (а, следовательно, и вызываемые его наличием нелинейные искажения) будут небольшими. Для некоторых современных усилителей с несимметричным выходом разработчиками также заявлен класс работы А2.
Далее будет показано, что эффективность работы усилителя может быть повышена только за счет улучшения линейности его характеристики.
Как было показано, работа однотактного каскада в режиме класса В вносит значительные искажения за счет однополупериод-ного усиления входного сигнала, что приводит к появлению высших гармоник. Естественно, это является весьма существенным недостатком для высоко-качественных усилителей Hi-Fi, для которых требуется высокая линейность характеристик.
Теперь предположим, что имеется две лампы, работающие в режиме класса В, на одну из них подается непосредственно входной сигнал, а на другую подается инвертированный (то есть противофазные ему) сигнал. Во время интервала t1 проводит ток верхняя лампа, тогда как вторая заперта. Во время интервала t2 ситуация меняется на обратную (рис. 7.5).
Таким образом, положительные и отрицательные полуволны входного сигнала вызывают анодный ток попеременно в разных лампах, в результате чего, в любой момент времени в какой-либо из двух ламп анодный ток будет существовать. Путем инвертирования одного из выходных сигналов и сложением его с другим сигналом в выходном трансформаторе можно восстановить исходную форму входного сигнала. Инвертирование выполняется путем изменения направления протекания тока в одной из обмоток, то есть изменением полярности подключения этой обмотки трансформатора. На диаграмме они обозначены соответствующими значками « + » и «—». На принципиальных схемах для обозначения направление намотки зачастую начальные витки обмоток трансформатора обозначаются точками.
Вне зависимости от того, достигается этот результат использованием трансформатора, либо непосредственным последовательным включением ламп усилителя, такого, например, как катодный повторитель Уайта, данная схема подключения получила общее название — двухтактная схема, и она является единственным путем для достижения хорошей линейности характеристики в усилителях класса В, обеспечивающих гораздо более высокий КПД, нежели в классе А.
Неудивительно, что такое разделение сигнала и затем его последующее восстановление в исходном виде не является вполне безболезненной операцией и поэтому усилители класса В в чистом виде используются достаточно редко из-за искажений, возникающих во время переходного процесса в цепях кроссовера (фазоинвертора), когда усиление сигнала передается от одной лампы к другой. На практике допускается протекание небольшого тока покоя лампы с целью уменьшить влияние переходного процесса, что приводит к режиму работы в классе АВ. Теоретическое значение оптимального напряжения смещения для усилителя класса АВ находят путем экстраполяции линейной части передаточной характеристики до ее пересечения с осью входных напряжений V k. Однако на практике лампы не обладают идеальной линейной характеристикой, и в них не наблюдается безинерционного, резкого запирания, следовательно, индивидуальные особенности характеристики каждой лампы приводят к тому, что идеальная точка смещения не является соответствующей реальному положению дел и искажения, возникающие в кроссовере, не устраняются.
Рис. 3.8. Нелинейная схема усиления (умножения) частоты
Рассмотрим в качестве примера схему резонансного усилителя на транзисторе, контур на выходе которого настроен на частоту входного сигнала (рис. 3.8). На вход усилителя подается сигнал (Формула). Для вольт-амперной характеристики используем кусочно-линейную аппроксимацию.
Усиление колебаний в линейном режиме
Обратимся сначала к линейному усилению. Угол отсечки в этом случае θ = 180°. Рис. 3.9 соответствует этому режиму работы усилителя, так как входной сигнал не выходит за пределы линейного участка характеристики (Формула). Поэтому ток на выходе усилителя изменяется по тому же закону, что и входной сигнал. Выходной ток содержит постоянную составляющую (Формула) и переменную составляющую с амплитудой (Формула) и частотой ω.
Рис. 3.9. Усиление колебаний в линейном режиме
В линейном режиме всегда, а амплитуда напряжения в контуре на выходе усилителя Uk не может быть больше напряжения источника энергии Ek, т. е. Uk ≤ Ек. Если принять, a Uk = Ек, то в самом благоприятном случае коэффициент полезного действия не превысит значения η = 0,5.
Усиление колебаний в нелинейном режиме
Из сказанного можно сделать следующий вывод: в нелинейных режимах усиления можно получить гораздо большие значения КПД, чем в линейных. Правда, при этом возникают нелинейные искажения сигнала, связанные с появлением дополнительных гармонических составляющих.
Рис. 3.10. Усиление колебаний в нелинейном режиме
Рассмотрим теперь умножение частоты. Под умножением частоты принято понимать формирование на выходе устройства колебания, частота которого в целое число раз больше частоты входного сигнала. Если на входе действует сигнал (Формула), то на выходе должна быть частота колебания. Принципиальным фактом здесь является наличие нелинейного преобразователя, поскольку умножение частоты связано с появлением новых спектральных составляющих, которых не было на входе. Реализовать умножитель частоты применением только линейных элементов невозможно.
Пусть нелинейный преобразователь аппроксимирован многочленом n-й степени и на его вход подается гармоническое колебание.
После разложения данного соотношения по методу формул кратных дуг нетрудно увидеть, что выходной сигнал содержит вторую, третью и другие гармоники. Поэтому необходимую гармонику можно выделить с помощью фильтра, включаемого на выходе нелинейного преобразователя.
В качестве нелинейного преобразователя при умножении частоты можно использовать рассмотренный ранее нелинейный усилитель, только теперь в качестве нагрузки следует взять колебательный контур, настроенный на частоту n-й гармоники. На вход такого умножителя частоты подается колебание большой амплитуды, что приводит к нелинейным эффектам и позволяет использовать при расчете кусочно-линейную аппроксимацию и метод угла отсечки.
Ранее было показано, что амплитуда n-й гармоники. Если значение задано, то коэффициент будет максимален при оптимальном угле отсечки θ, который выбирается из справочных таблиц или графиков. Причем максимум коэффициента имеет место, если θопт ≈ 120°/n. Так, для удвоения частоты оптимальный угол отсечки должен быть равен 60°, а для утроения — θ ≈ 40°.
Расчеты коэффициентов показывают, что они быстро уменьшаются с ростом номера гармоник, а следовательно, уменьшаются и амплитуды гармоник. Поэтому данную схему применяют только для умножения частоты в небольшое число раз, т.е. в 2 — 3 раза.
Для умножения частоты в большее число раз следует преобразовать гармоническое колебание в периодическую последовательность прямоугольных импульсов. Известно, что в спектральном составе таких импульсов имеются колебания всех частот, кратных частоте их следования. Поэтому требуемая гармоника далее выделяется с помощью узкополосного фильтра.
Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.
Усилители класса А
Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.
Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.
Усилители класса B
Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.
Усилители класса AB
Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.
Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.
Усилители класса С, H, G
Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.
В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.
Усилители класса D
В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.
Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.
На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.
Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.
Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.
Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.
Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.
В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.
Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.
В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:
В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).
Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.
Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.
Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.
Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.
А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:
Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.
Заключение
Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.
Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.
Читайте также: