Основные классы усилителей – A, B, AB. И немного экзотики

Эта статья будет полезна не только тем, кто делает первые шаги в аудиотехнике – но и тем, кто достаточно хорошо разбирается в теме. Некоторые моменты в популярных сетевых публикациях освещены недостаточно подробно – или вообще не описаны.

Усилитель мощности должен сочетать высокую выходную мощность с малыми искажениями и высоким КПД. К сожалению, при повышении КПД обычно увеличиваются искажения сигнала.

Выходные каскады транзисторных усилителей мощности выполняются исключительно по двухтактной схеме на полевых или биполярных транзисторах

Существует три основных режима работы выходного каскада «звукового» усилителя – A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.

Протекающий через выходные транзисторы ток нагревает их – это «мощность рассеяния». Кроме того, максимальное выходное напряжение не может достичь напряжения питания – потери возникают на выходных транзисторах (напряжение насыщения). И потери на насыщение тем больше, чем ниже напряжение питания. Всё это снижает коэффициент полезного действия усилителя.

Реальный КПД на музыкальном сигнале меньше теоретического – в теории не учитывается напряжение насыщения транзисторов и характер музыкального сигнала

Сравнительные характеристики

В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала – и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая

В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов – каждый из них усиливает свою «половинку» сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства – при малых сигналах возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь

Режим AB – попытка примирить волков и овец. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность – удовлетворительная

Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для любого режима работы конкретной схемы (но для разных усилителей, естественно, значения будут отличаться). При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся – а ещё лучше видеть зависимость искажений от мощности. Но это тема отдельной статьи

За все приходится платить. Плата за малые искажения «чистого» класса A непомерна. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается внушительными радиаторами – и чем тише звучит, тем больше греется! Экономичные усилители класса B серьёзно проигрывают по качеству звучания (особенно при малой громкости) и не устроят придирчивого меломана. Компромиссные усилители в режиме AB мечутся в поисках «золотой середины» между экономичностью и качеством звучания. Мощные усилители, которые рекламируются как pure class A («чистый класс А») на самом деле – AB с большим током покоя.

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

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

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

Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение: нужно вообще не давать транзисторам запираться, пусть через них течёт небольшой остаточный ток. Управлением занимается специальная схема. Так появились усилители класса SuperA или non-switching. Качество звучания и экономичность практически такие же, как и у A+, но конструкция существенно проще, поэтому старый вариант быстро сошел со сцены.

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

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

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

Применялись также усилители с одним управляемым источником питания, напряжение которого зависело от уровня сигнала – класс H. Одно время они применялись в автомобильных головных устройствах. Толчком для разработки этих усилителей послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и средняя мощность намного ниже пиковой. Изюминка – применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения – накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. К сожалению, максимальная мощность зависит от емкости накопительных конденсаторов и продолжительности сигнала. Чем меньше емкость конденсаторов, тем меньше запас мощности на низких частотах, то есть как раз там, где она особенно нужна.

Как уже стало понятно, все эти ухищрения достаточно сложны конструктивно и поэтому даже в пору расцвета встречались только в аппаратах верхних линеек. В автомобильных усилителях эти решения (кроме единичных конструкций класса G и H) не прижились – тогда было еще рано, а теперь уже поздно. Импульсные усилители класса D по КПД оставили аналоговых собратьев далеко позади, да и качество звучания лучших моделей уже как минимум не уступает – а зачастую и выше при сопоставимой стоимости. Но это уже совсем другая история.

В качестве итога – сравнительные характеристики усилителей различных классов

С вами был УРАЛ и ЧЕстный Звук.О том, как УРАЛ дважды выиграл патентный спор у правообладателя JBL, читайте в статье
О продукции УРАЛ можно узнать здесь
О новом АК - подробно - тут

Внимание! Продукция УРАЛ теперь не только в DNS, но и на OZON)Наши соцсети:
🔊 VK - https://vk.com/ural_auto
🔊YouTube - https://www.youtube.com/channel/UCLzzLfBqwvyz9WTfUWITRAg
🔊OK - https://ok.ru/group/57850130727085
🔊TELEGRAM - https://t.me/chezvuk
🔊RUTUBE - https://rutube.ru/channel/23872366/playlists/Понравилась статья? Ставьте лайк, делайте репост)
Подписывайтесь на канал! Все самое интересное - впереди.
Всем добра)

#усилители #классусиления #искажения