Усилителя класса d: Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?

Все наверняка слышали о том, что усилители могут работать в классах А, АВ или, скажем, в классе D. Но, как показывает практика, далеко не все знают о том, что кроется под этими обозначениями. Сейчас мы вам расскажем, что это такое, и постараемся сделать выводы – какой усилитель и в каких случаях подойдёт вашей аудиосистеме лучше всего.

Как работают усилители?

Для начала нужно понимать, как вообще работает любой усилитель. Возможно, вы удивитесь, но на самом деле он… ничего не усиливает. Принцип его работы больше похож на работу обычного водопроводного крана – вы крутите ручку, и вода льётся то сильнее, то слабее, то не льётся совсем.

В усилителях всё происходит точно так же – ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Роль «крана» выполняют выходные транзисторы, а управляет их открытием и закрытием сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства. И вот то, каким образом работает этот «кран» (выходные транзисторы), как раз и определяет класс усилителя.

Как работают усилители АВ-класса?

Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.

Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.

По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.

На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую. Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.

Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).

В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.

Как работают усилители D-класса

Основной принцип работы D-класса абсолютно тот же, что и у АВ-класса – у таких усилителей тоже есть выходные транзисторы, которые умеют открываться или закрываться, регулируя ток через подключенные к ним динамики. Только управляет их открытием сигнал, который своей формой очень далёк от входного.

Сигнал, который пришёл на усилитель от головного устройства, непрерывен, но его амплитуда постоянно меняется. На входе усилителя D-класса он преобразуется в импульсный – амплитуда постоянная, но зато сигнал прерывается. Длительности импульсов и пауз между ними меняются пропорционально входному сигналу. Например, выше амплитуда входного сигнала – импульсы длиннее, ниже амплитуда – импульсы короче.

Именно такой сигнал и подаётся на выходные транзисторы. И очевидно, что в этом случае они будут работать совершенно по-другому – либо полностью открываться, либо полностью закрываться, без промежуточных вариантов. Это означает, что потери на ненужный нагрев будут минимальными, а значит, КПД усилителя D-класса может вплотную приближаться к идеалу в 100%.

Разумеется, подавать такой прерывающийся сигнал сразу же на акустические системы ещё рано, перед этим его нужно «вернуть» в обычную форму. Это делается с помощью специальных элементов – выходного дросселя (катушки индуктивности) и конденсатора. После них на выходе и получается усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной. Вот он и идёт на динамики.

Главное достоинство усилителей D-класса – высокий КПД, а значит, и более экономное расходование энергии блока питания. При прочих равных усилители D-класса мощнее и компактнее, чем традиционные усилители.

Какой усилитель лучше – D-класса или АВ-класса?

Долгое время считалось, что для подключения акустических систем нужно выбирать усилители АВ-класса, потому что им не нужны большие мощности, и у них меньше искажений. Это было связано с тем, что в усилителях D-класса входной сигнал обычно преобразовывался в импульсный с невысокой частотой, и в итоге они хорошо работали лишь в сабвуферном диапазоне.

Сегодня технологии шагнули далеко вперёд, появились мощные быстродействующие транзисторы, которые умеют переключаться (открываться и закрываться) практически мгновенно. На рынке появилось немало широкополосных усилителей D-класса. Широкополосные – это такие усилители D-класса, которые рассчитаны на использование не только с сабвуферами, но и с акустическими системами. Для тех случаев, когда большая мощность не нужна, такие усилители можно сделать чрезвычайно компактными.

Как выбрать усилитель?

Если позволяет место, для подключения акустических систем вы можете смело выбрать усилитель АВ-класса. Схемотехника таких усилителей за долгие годы хорошо отработана, они имеют высокое качество звучания и, в случае неисправности, их можно легко отремонтировать в ближайшей мастерской.

Когда место для инсталляции усилителя сильно ограничено, обратите внимание на широкополосные модели D-класса. При той же мощности, что и у моделей АВ-класса они намного компактнее, в большинстве своём меньше греются, и их можно установить даже скрытно, с минимальными вмешательствами в штатные элементы автомобиля.

Для подключения сабвуферов больше преимуществ имеют усилители D-класса. Бас – это самый «энергозатратный» частотный диапазон, а потому КПД усилителя может иметь решающее значение. А этом у D-класса конкурентов нет.

Вернуться к списку

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все • Stereo.ru

При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Принцип работы

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.

В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.

Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.

Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.

Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.

Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.

Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.

Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.

На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

Особенности

Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.

Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.

Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т. п.

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

Звук

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Выводы

Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.

В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Слушаем музыку с компьютера правильно. Три основных способа

• Что за музыка была «зашита» в популярных ОС

• Что такое Roon? [видео]

Что такое усиление класса D?

Если у вас сложилось впечатление, что усилители класса D всего лишь «на две буквы хуже» моделей класса A, подумайте еще раз: технология класса D оказывает все большее влияние на мир живого звука, предлагая большую мощность с меньшим весом, чем когда-либо прежде. Узнаем как и почему…

У каждого звукорежиссера есть свое мнение о микрофонах. А динамики, они конечно все звучат по разному. Микшерные пульты? Различия заключаются в оборудовании и удобстве эксплуатации. Но усилители мощности? Кроме фразы «чем больше, тем лучше», кто может быть в восторге от усилителя? Усилитель мощности, возможно, несколько для живого выступления, стоит в стойке и продолжает свою работу. Технология отработана, и между усилителями мощности не так уж много различий, поэтому вы просто выбираете надежного производителя и требуемую номинальную мощность. Соберитесь, и все готово.

Мы должны быть благодарны, что усилители мощности так неинтересны, потому что если они неинтересны, значит, они работают хорошо. Действительно, усилитель мощности является одним из лучших компонентов во всей звуковой системе с точки зрения частотной характеристики, искажений и шума. Современные усилители мощности тоже в целом довольно надежная связка. Старые усилители регулярно умирали из-за самопроизвольного возгорания их транзисторов. Но теперь, благодаря эффективному охлаждению и схемам защиты, выход из строя усилителя мощности — сравнительно редкое явление. (Если вы так не считаете, обратите внимание на свое охлаждение — свободный поток воздуха обязателен).

Все-таки производители не любят отдыхать. Им необходимо постоянно улучшать свою продукцию, чтобы получить преимущество перед конкурентами и побудить нас покупать больше того, что они производят. Как оказалось, в области усилителей мощности еще есть возможности для совершенствования. Больше ватт за доллар — это один из способов их улучшения. Просто больше Ватт в одном усилителе это другое. Третье потенциальное направление развития? Сделайте их светлее! Если вы когда-либо занимались монтажом усилителей и стоек для усилителей, вы все об этом знаете.

Crest Audio CD3000 — это усилитель класса D, способный выдавать 1500 Вт на канал при нагрузке 2 Ом. Удивительно для такого зверя, CD3000 занимает всего 2U в стойке и весит всего лишь (для усилителя мощности) 21 кг. Вот хороший вопрос: почему усилители мощности такие тяжелые? Электричество ничего не весит, так почему же у усилителей такая масса? На это есть два ответа. Одним из них является трансформатор, который преобразует сетевое напряжение в более низкое напряжение, подходящее для схемы усилителя. Например, если усилитель рассчитан на 500 Вт, трансформатор должен обеспечивать всю эту мощность и даже больше. Поэтому ему нужны солидные медные обмотки и громоздкий сердечник; это должно быть тяжело. Другим потенциально массивным элементом является радиатор. Не вся электроэнергия, подаваемая на схему усилителя, преобразуется в полезную мощность, подаваемую на громкоговорители. Некоторая часть теряется в виде тепла, и это тепло необходимо рассеять, иначе усилитель сгорит. Таким образом, выходные транзисторы прикручены к большому ребристому радиатору с большой площадью поверхности, который может легко отводить тепло, особенно при использовании в сочетании с вентилятором. Это правда, что радиаторы могут быть изготовлены из легкого металла, такого как алюминий, а продуманная конструкция может сделать радиатор частью конструкции усилителя. Тем не менее, все складывается, и типичный усилитель мощности — довольно увесистый зверь.

Чтобы уменьшить вес усилителя, есть простое решение: не тратить столько энергии. Если бы мощность не тратилась впустую, трансформатор мог бы быть намного меньше, и радиатор не требовался бы. Ясно, что «безотходного» усилителя никогда не будет, но чем эффективнее усилитель, тем легче и меньше он может быть. Таким образом, в живом звуке, где усилители мощности используются в больших количествах, эффективность усилителя является очень желательным качеством. В других областях, где используются усилители мощности, например, в домашнем Hi-Fi и студийном мониторинге, эффективность не является проблемой.

Это подводит меня к теме этой статьи: усилители класса D. Вся причина существования класса D — эффективность. Ясно, что должны быть также классы A, Class-B и Class-C, и можно было бы ожидать, что они будут более ранними разработками, поскольку они стоят перед D в алфавите. Я собираюсь объяснить, как работает Class-D и почему он подходит для живого звука. Но сначала мне придется объяснить, как работают все остальные классы.

Если вы ничего не понимаете в электронике, не волнуйтесь. Что ж, не беспокойтесь сильно — я не буду углубляться в существующее понимание того, как работает батарея и лампочка. (Конечно, небольшое знание звуковых сигналов не помешает.)

Рис. 1: Простой несимметричный усилитель класса А. Вначале был однотактный усилитель класса А, как показано на рис. 1. Я упростил схему, чтобы показать только выходное устройство, на котором определяются различия между классами. В таком простом усилителе входной звуковой сигнал — небольшой переменный ток (AC) — протекающий через базу транзистора (b) управляет большим постоянным током (DC), протекающим с выхода источника питания усилителя через коллектор (‘c’) и эмиттер (‘e’) на землю. Части схемы, которые я пропустил, «смещают» транзистор, так что при отсутствии входного сигнала выходное напряжение (т.е. напряжение на коллекторе) составляет половину общего напряжения питания. Это позволяет выходному напряжению изменяться как вверх, так и вниз в равной степени, чтобы воссоздать форму сигнала переменного тока на входе. Если бы напряжение при отсутствии входного сигнала было чем-то иным, чем наполовину между нулем и полным напряжением источника питания, то одна половина формы волны неизбежно исчерпала бы вольты раньше другой, ограничивая величину усиления, доступного до форма волны будет обрезана.

Давайте посмотрим, что происходит, когда напряжение входного сигнала на транзистор низкое. Транзистор будет пропускать только небольшой ток между коллектором и эмиттером, поэтому напряжение на коллекторе будет почти таким же, как полное напряжение на шине питания. Таким образом, нагрузка (громкоговоритель) управляется высоким напряжением и сильным током — закон Ома, V = IR (вольты = ток x сопротивление), диктует, что ток всегда пропорционален приложенному напряжению и сопротивлению в цепи. И наоборот, когда входное напряжение транзистора высокое, коллекторно-эмиттерная часть транзистора будет проводить. Напряжение на коллекторе станет низким, поэтому нагрузка (динамик) питается низким напряжением и небольшим током (снова закон Ома; сопротивление динамика остается прежним, но приложенное напряжение теперь низкое, поэтому текущий поток низкий). По мере того, как форма входного сигнала, подаваемого на транзистор, изменяется вверх и вниз, то же самое происходит и с выходным напряжением. Выходное напряжение — это увеличенная версия входного напряжения, в котором, конечно, и заключается весь смысл усиления.

Это вызывает некоторые вопросы. Во-первых, почему нагрузка (громкоговоритель) просто не подключена между шиной питания и коллектором? Ответ заключается в том, что если бы это было так, то через громкоговоритель всегда протекал бы ток, даже если входной сигнал отсутствовал. Это было бы а) расточительно и б) смещало диффузор громкоговорителя из исходного положения, даже когда сигнала не было. Второй вопрос зачем конденсатор (С1) между коллектором и динамиком? Ответ заключается в том, чтобы предотвратить попадание фактического (постоянного) тока источника питания на динамик, поскольку нас интересуют только изменения напряжения, а постоянное приложенное напряжение, как указано выше, сместит диффузор из исходного положения. (Ради простоты я не буду пояснять значение резистора.)

Этот простой усилитель известен как «несимметричный, класс А». Он имеет только одно выходное устройство, и когда нет сигнала, ток через выходной транзистор, по крайней мере, равен или больше максимального тока, когда-либо протекающего через громкоговоритель. Таким образом, усилитель класса А работает на пределе возможностей даже при отсутствии сигнала! Согласно математике, усилитель класса А может иметь КПД только 25 процентов. Таким образом, даже при оптимальной работе три четверти потребляемой мощности тратится впустую.

Каждый разработчик усилителей мечтает разработать конструкцию, которую однажды назовут «классом». Классы на самом деле продвинулись далеко за пределы классов A, B, AB и D. Классы E и F используются в радиопередаче, поэтому мы можем их игнорировать. Но класс G и класс H относятся к аудио.

Мы знаем, что класс AB неэффективен или, по крайней мере, не так эффективен, как нам хотелось бы, учитывая, что на уровнях мощности тратится много энергии. Причина его неэффективности заключается в том, что мгновенный уровень сигнала контролируется транзисторами, которые сопротивляются потоку тока, рассеивая его в виде тепла. Итак, говоря простым языком, когда транзистор пропускает только половину тока, который мог бы, другая половина должна куда-то уйти — и это «куда-то» является небольшим, но значительным вкладом во второй закон термодинамики и, в конечном итоге, в гибель Вселенной. . Кто бы мог подумать, что усилитель может сделать это?

Но вот идея: что, если бы слабые сигналы можно было передать с помощью маленького усилителя, а большие сигналы — с помощью большого усилителя? Маленькому усилителю не пришлось бы рассеивать слишком много мощности, как и большому усилителю, поскольку при вызове он подавал бы свою мощность на громкоговоритель. На практике этого можно добиться, используя две или более пар шин питания. Одна пара шин подает низкое напряжение для слабых сигналов. При приближении к точке отсечки этих шин усилитель переключается на пару шин питания с более высоким напряжением. И нет необходимости останавливаться на двух парах рельсов. Очевидно, что переключение может быть проблемой и потенциальным источником звуковых дефектов, но выигрыш в эффективности может перевешивать проблемы в некоторых приложениях.

Класс-H является развитием класса-G (честно говоря, они оба просто развития класса-AB, но не будем слишком придираться). В классе H сигнал используется для изменения напряжения на шине питания. Таким образом, когда сигнал находится на высоком уровне, шины питания также находятся под высоким напряжением и находятся в состоянии готовности. Это позволяет избежать переключения, связанного с классом G. Интересно, что для генерации напряжения на шине используются схемы, очень похожие по своей природе на класс D.

Рис. 2: Двухтактный усилитель класса B. На рис. 2 показана альтернативная стратегия в виде выходного каскада двухтактного усилителя. Один транзистор «повышает» напряжение на положительном полупериоде сигнала. Другой транзистор «опускает» напряжение в отрицательный полупериод. Ну, это детсадовское объяснение. Давайте рассмотрим немного подробнее…

В этой версии я показал как положительную, так и отрицательную шины питания, а также заземление точно между ними по напряжению; фактически ноль вольт. Можно использовать несимметричный (только положительный или отрицательный) источник питания, но лучше использовать двухканальный источник питания, так как не требуется выходной конденсатор, блокирующий постоянный ток. Это связано с тем, что при отсутствии сигнала обе клеммы громкоговорителя находятся под нулевым напряжением, поэтому ток не течет и постоянный ток не блокируется. Вы заметите, что транзисторы немного отличаются друг от друга. Верхний транзистор (Q1) — это то, что мы называем «npn», что означает, что он будет проводить между коллектором и эмиттером для положительного напряжения на базе. Нижний транзистор (Q2) имеет тип pnp, что означает, что он будет проводить между коллектором и эмиттером при отрицательном напряжении на базе. Если вы уже разбираетесь в электронике, то заметили, что между этим и Рисунком 1 есть еще одно отличие. На Рисунке 2 громкоговоритель подключен к эмиттерам транзистора, а не к коллектору транзистора на Рисунке 1. Это означает, что все усиление напряжения должно предшествовать этому каскаду. Эта часть схемы отвечает за подачу большого тока на громкоговоритель. Но не беспокойтесь об этом слишком сильно; это не влияет на мое объяснение классов усилителей.

Рисунок 3: Искажение кроссовера.

В этой конфигурации высокое входное напряжение приведет к открытию Q1, в результате чего выходное напряжение приблизится к положительному напряжению шины питания. Нулевое входное напряжение не приведет к тому, что ни один из транзисторов не будет проводить ток. На выходе ноль вольт. Поскольку ни один из транзисторов не находится в проводимости, очевидно, что ток для громкоговорителя отсутствует. Но так как на клеммах громкоговорителя нет напряжения, то оно и не нужно! (Удобное совпадение.) Когда входное напряжение низкое, Q2 проводит, позволяя напряжению на выходе опускаться почти до напряжения отрицательной шины питания. Отсюда видно, что Q1 обрабатывает положительные полупериоды сигнала, а Q2 обрабатывает отрицательные полупериоды. Это класс B.

Рис. 4: Усилитель класса AB (упрощенный). Прелесть такой схемы в том, что она намного эффективнее. Когда входной сигнал равен нулю, ток не течет ни через громкоговоритель, ни через транзисторы. Максимальный теоретический КПД для синусоидального входа составляет 78,5% — значительное улучшение по сравнению с классом A.

Но есть и ложка дегтя. Транзистор практически не будет проводить ток, если напряжение на базе меньше 0,6 вольта (минус 0,6 вольта для p-n-p-транзистора). Таким образом, входное напряжение от 0,6 до +0,6 вольта не приведет ни к одному из транзисторов в проводимость. Рисунок 3 показывает результат. Это плоское пятно в середине сигнала называется «кроссоверным искажением» и является неотъемлемым свойством класса B. К счастью, есть ответ, который заключается в «смещении» входа на два транзистора, как показано на рис. 4. Эти два новых компонента между базами транзисторов — это диоды. Их эффект состоит в том, чтобы разделить постоянные напряжения на основаниях на 1,2 вольта, тем самым преодолевая внутреннюю «инерцию» транзисторов. Входной сигнал теперь должен только дернуться, и транзисторы среагируют. Это упрощение реальной схемы, но ненамного. В реальной схеме напряжения на базах транзисторов должны быть немного дальше друг от друга и регулироваться для установки «тока покоя» (постоянный ток при отсутствии входного сигнала).

Преимущество здесь в том, что кроссоверные искажения почти устранены за счет небольшого постоянного тока, когда сигнал находится на нулевом уровне. Интересно отметить, что смещение можно организовать таким образом, чтобы транзисторы пропускали очень большой ток при нулевом входном сигнале. Когда вход перемещается, этот ток будет отводиться через нагрузку. Угадай, что? Это снова класс А. Это двухтактный выходной каскад класса А, не более эффективный, чем несимметричный каскад класса А, но более практичный в реализации и полностью лишенный кроссоверных искажений, поэтому им восхищаются энтузиасты Hi-Fi. Компромиссная ситуация смещения выходных транзисторов так, чтобы они находились только в проводимости, называется классом AB. Класс AB, безусловно, является наиболее распространенным типом усилителей. Он достаточно эффективен, и его качество звука превосходно, уступая только усилителям класса А, которые работают так же тепло, как Aga, и обходятся в копеечку — как при покупке, так и при эксплуатации.

Рисунок 5: Простой усилитель класса C, который управляет резонансной нагрузкой и очень эффективен на резонансной частоте нагрузки.

В завершение этого раздела на рис. 5 показан простой усилитель класса C. Он управляет резонансной нагрузкой и, таким образом, очень эффективен на резонансной частоте нагрузки — более 90 процентов. Однако, поскольку он работает только в узком диапазоне частот, он совершенно не подходит для аудио. Усиление класса C фактически используется в радиопередаче.

Теперь, когда мы знаем, как работают классы A, B, AB и C, мы можем взглянуть на класс D. Понятно, что все классы от A до C относятся к одному семейству, но класс D совершенно другой. В классах A, B и AB проблема заключается в недостаточной эффективности. Некоторая мощность тратится впустую, и мы бы предпочли, чтобы ее можно было разумно использовать для управления громкоговорителями все более высокими уровнями звукового давления или, по крайней мере, не преобразовывать ее в тепло. Там, где мощность тратится впустую, там, где транзистор находится в частичной проводимости. Когда транзистор полностью проводит ток, он похож на кусок провода, а кусок провода практически не теряет мощности. Когда транзистор полностью закрыт, он вообще не проводит, а если он вообще не проводит, то нет никакой потери энергии. Это промежуточные этапы, которые вызывают проблему, когда транзистор теряет энергию и нагревается. Так что, если бы мы могли найти способ использовать транзисторы только в их полностью включенном или полностью выключенном состоянии. Если бы это было возможно, никакая сила не была бы потеряна. Но возможно ли…?

Рисунок 6: Усилитель класса D. Это так, и решение заключается в том, что мы называем классом D. На рис. 6 показан упрощенный усилитель класса D. Во-первых, давайте посмотрим на сходство между этим и тем, что мы уже обсуждали. Вы можете видеть два транзистора в двухтактной конфигурации, как и раньше. Транзисторы выглядят немного иначе, потому что они представляют собой МОП-транзисторы (полевые транзисторы на основе оксидов металлов и полупроводников), а не «обычные» транзисторы. Выходные транзисторы должны быть быстрыми, чтобы они могли очень быстро переключаться между полностью включенным и полностью выключенным состоянием. Также помогает, чтобы состояния включения и выключения были «действительно» включены и выключены. Чем ближе транзисторы могут добраться до полной проводимости или полной непроводимости, тем выше будет эффективность усилителя. Однако очевидно, что помимо сходства есть и различия.

Начнем с вывода. Чего не произойдет, так это того, что транзисторы создадут высоковольтную версию входного сигнала. То, что произойдет с на , заключается в том, что они переключаются поочередно, чтобы поднять выход до положительной шины питания, а затем полностью вниз до отрицательной шины питания, как можно быстрее, без промежуточных напряжений. Это явно будет импульсный сигнал. А теперь хитрость: если ширину импульсов можно сделать пропорциональной мгновенному уровню входного сигнала, мощность, подаваемая на громкоговоритель, усредненная по времени, будет такой же, как если бы входной сигнал усиливался обычным способом. . Задумайтесь об этом на мгновение, потому что это ключ к тому, как работает усилитель класса D.

Далее, если выходной сигнал отфильтрован для удаления высоких частот и острых углов формы импульса, исходный входной сигнал будет реконструирован, точно такой же формы, как и был, но большего размера. Конечным результатом является усиленный сигнал, который невозможно отличить от сигнала, производимого обычным усилителем мощности класса AB.

Рис. 7. Компаратор усилителя класса D, генерирующий сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Но как создается импульсный сигнал? Хорошо, это не просто, но это и не ракетостроение. Сначала нам нужен строительный блок схемы, известный как компаратор. Компаратор имеет два входа: назовем их Вход A и Вход B. Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда напряжение на входе А ниже, чем на входе В, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение. На рис. 7 показано, как компаратор работает в усилителе класса D. На один вход (Вход A в моем примере) подается сигнал, который необходимо усилить. На другой вход (вход B) подается точно сгенерированная треугольная волна. Когда уровень сигнала мгновенно превышает уровень треугольной волны, выход становится положительным. Когда сигнал мгновенно становится ниже по уровню, чем треугольная волна, выход становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Волшебно просто! Мы называем это широтно-импульсной модуляцией или ШИМ. И это все, что нужно сделать. Теперь вы понимаете, как работает усилитель класса D, и если кто-то попытается ввести вас в заблуждение и убедить вас, что «D» означает «цифровой», вы можете с уверенностью сказать им, насколько они ошибаются. Класс-D не является цифровым.

Если бы класс D был идеальным, он бы захватил весь мир, и не было бы другого широко используемого класса. Я расскажу вам о трех основных проблемах усилителей класса D через минуту, но сначала вопрос: как сделать эффективный радиопередатчик? Ответ: начните с аудиоусилителя класса D. Да, высокие частоты, связанные с усилением класса D, легко распространяются как радиоволны, потенциально вызывая помехи для радиоприемников и другого оборудования. Вы можете подумать, что решением было бы заключить усилитель в прочный стальной корпус. Но проблема не в этом, а в кабелях. Фильтр, который должен удалять высокочастотные компоненты и оставлять только звуковой сигнал, имеет довольно пологий наклон — 6 дБ или 12 дБ на октаву — поэтому все еще выходит довольно много радиочастотной энергии. Понятно, что производители заботятся о том, чтобы исправить ситуацию и остаться в допустимых пределах, но это проблема, присущая классу D.

Класс D без фильтра. Технология Lab Gruppen «Class TD» расширяет класс D за счет заявленных звуковых характеристик, эквивалентных классу AB, но с превосходными характеристиками класса D с точки зрения эффективности и малого веса. Вторая проблема класса D заключается в том, что последнее, что сигнал видит перед он достигает громкоговорителя — это фильтр. Пассивный фильтр из конденсаторов и катушек индуктивности рассчитывает увидеть на своем выходе определенную нагрузку. Даже просто глядя на сопротивление громкоговорителя и игнорируя его емкость и индуктивность, громкоговорители бывают с номинальным сопротивлением 2 Ом, 4 Ом и 8 Ом, и фильтр будет работать по-разному в зависимости от импеданса громкоговорителя. Принимая во внимание емкость и индуктивность, импеданс будет варьироваться в зависимости от частоты. Таким образом, конструкция фильтра внезапно становится намного сложнее: усилитель, работающий по-разному для разных динамиков, будет проблемой.

В-третьих — не окончательно, но пока достаточно — усилитель класса D имеет относительно плохой коэффициент демпфирования. Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному импедансу усилителя (это немного сложнее, но не будем вдаваться в подробности). Проще говоря, это показатель того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диафрагмы громкоговорителя. Хороший усилитель не просто подталкивает его и надеется на лучшее; он определяет, где находится диафрагма от момента к моменту, и контролирует ее положение. Для этого желателен высокий коэффициент демпфирования, а, как упоминалось выше, простой усилитель класса D имеет низкий коэффициент демпфирования.

Очевидно, что для решения этих проблем можно применять передовые технологии, но из-за них усиление класса D используется в основном в приложениях, где важны эффективность, вес и малый размер. К ним относятся живой звук, автомобильная аудиосистема и компактные портативные системы.

Не ограничиваясь усилителями мощности PA, Yamaha использует выходной каскад класса D в своей басовой головке BBT 500H, заявленной мощностью 500 Вт и весом менее 5 кг! Очевидно, что это еще не все. Например, важно знать, что частота переключения должна быть очень высокой для достижения необходимого разрешения. Типична частота переключения около 300 кГц, что примерно в 15 раз превышает самую высокую звуковую частоту, представляющую общий интерес. Динамический диапазон и отношение сигнал/шум усилителя класса D регулируются частотой переключения — чем выше, тем лучше. Ясно, что чем больше скорость генерации импульсов, тем больше ширина импульса будет пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Однако недостатком увеличения частоты переключения является то, что усилитель будет менее эффективным. Оптимальная эффективность была бы достигнута, если бы транзисторы могли переключаться мгновенно, так что они были бы либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии, когда почти не потребляется мощность. Но в реальном мире требуется некоторое время, чтобы напряжение колебалось, и в течение этого времени рассеивается некоторая мощность. Таким образом, чем чаще происходят колебания, тем больше возможностей для потерь. Даже в этом случае КПД практичного усилителя класса D может быть выше 90 процентов, что значительно лучше, чем у конструкции класса AB (в лучшем случае 78,5 процента и обычно ближе к 50 процентам).

Замкнутый круг, так как усилитель класса D более эффективен, чем обычный усилитель класса AB, он может быть легче. И это, в двух словах, причина существования класса D. Чем меньше вес, тем меньше размер, а для достижения необходимых высоких скоростей переключения схема должна быть физически небольшой. Загляните внутрь усилителя класса D, и вы найдете трансформатор. Ищите достаточно внимательно, и где-то там вы тоже найдете схему!

Купить версию в формате PDF

Что такое усилители класса D?

Общие сведения об усилителях класса D

Усилитель класса D также известен как «импульсный усилитель мощности ». Усилители класса D работают от широтно-импульсной модуляции , она преобразует входной сигнал в поток импульсов.

Усилители класса D часто неправильно интерпретируются как цифровые усилители или, по крайней мере, «на два уровня лучше», чем обычный усилитель класса A.

Реальность такова, что технология класса D все чаще применяется для традиционно громоздких, тяжелых и неэффективных усилителей мощности в крупномасштабных системах громкой связи, усиления голоса и живого звука.

Пример диаграммы широтно-импульсной модуляции:

Каковы преимущества усилителя класса D?

Плюсы

• Они эффективны — в отличие от усилителей класса А, которые постоянно работают на полной мощности, мощность усилителей класса D включается и выключается.
• Они могут быть меньше, так как у них нет большого трансформатора и конденсаторов.
• Простота установки и хранения, поскольку они не нагреваются, как усилитель класса А.
• Делает работу для большинства вещей!

Минусы

• Некоторым людям не нравится звук усилителей класса D, так как он может звучать очень цифровым.

Эффективность по сравнению с Диаграмма искажения:

Что такое усилитель класса А?

Усилители класса А являются наиболее часто используемой и простейшей формой усилителя мощности, у них оба выходных каскада устройства постоянно работают на полную мощность.

Обычные аналоговые усилители чрезвычайно надежны, но хорошо известны своим весом и громоздкостью из-за медных проводов трансформатора(ов) — и, конечно же, чем мощнее усилитель, тем больше и тяжелее он будет.

Таким образом, в крупномасштабных системах громкой связи и звукоусиления — часто с выходной мощностью 1000 Вт и несколькими каналами — результирующая конструкция звуковой стойки быстро становится довольно значительной, вплоть до 300 высоких стоек, требующих подъемного оборудования, чтобы разместить их в последнем месте отдыха!

И как неэффективная технология, обычные аналоговые усилители выделяют много тепла, которым необходимо управлять, что требует еще больше места и энергии для температурного кондиционирования.