С усилителями класса D связано немало мифов и можно сказать, что часть аудиофилов их явно недооценивает. Между тем, такие устройства нередко используются в высококлассной концертной и звукозаписывающей аппаратуре, элитных домашних кинотеатрах и дорогих стереосистемах. Так как же работает D-класс и что он умеет на самом деле?
Если окинуть взглядом историю развития усилителей, то сначала появились конструкции, работающие в классе А, потом В, потом АВ и все следующие за ними, со всеми присущими аналоговым технологиям достоинствами и недостатками. Усилители в классе D стоят особняком, и многие - особенно те, кто хоть немного знает иностранные языки, думают, что «D» означает «digital» - цифровой. На самом деле это вовсе не так, и такие усилители относятся к импульсным, а входной сигнал от источника в них не переводится в биты и байты, а подвергается чисто аналоговой обработке.
У усилителей в классе D есть множество преимуществ, главное из которых - это высокая энергоэффективность. Причем в теории КПД достигает 100%, а при практической реализации получаются превосходные показатели порядка 90–95%. А поскольку только малая часть энергии уходит на нагрев транзисторов, для охлаждения конструкции не нужны большие и массивные радиаторы.
Отсюда мы имеем второе важное преимущество - компактность. К примеру, AV-ресивер для домашнего кинотеатра на 7 или даже 9 каналов, по 100–200 Вт на канал на выходе вполне может разместиться в корпусе стандартного размера. А инсталляционные усилители на 12 каналов свободно размещаются в стойке и не требуют усиленной вентиляции для охлаждения.
Немаловажный также фактор - стоимость. В силу простоты конструкции она может быть значительно меньше, чем для усилителей такой же мощности, но работающих в других классах, типа АВ. В результате подавляющее большинство усилителей в переносных, компактных и миниатюрных устройствах - смартфонах, планшетах, ноутбуках, бумбоксах, которые нас окружают - это класс D.
Похожая ситуация и в сфере профессионального аудио, там большие концертные системы реализуются на базе мощных усилителей класса D, способных озвучивать большие залы и открытые пространства.
В то же время в секторе топового Hi-Fi и Hi-End конструкции усилителей класса D создаются без особой оглядки стоимость, используются отборные компоненты и решения, и цены выглядят завлекательными лишь в сравнении с традиционными подходами.
Почему же усилители в классе D не вытеснили все остальные классы, если они такие замечательные?
Как обычно, все упирается в качество звука. А оно в 70-х годах, когда появились первые подобные усилители, не дотягивало не то, чтобы до уровня Hi-End (а тогда еще и слов таких не было), но и до элементарного Hi-Fi, стандарт на который только-только появился в те годы (DIN 4550).
Для того, чтобы это понять, необходимо обратиться к принципам работы усилителей в классе D.
В основе большинства усилителей класса D лежит метод представления полезного аудио сигнала с помощью широтно-импульсной модуляции или, сокращенно - ШИМ.
В результате такого преобразования у нас получается последовательность прямоугольных. импульсов, чередующихся с несущей (или базовой) частотой. Частота выбирается таким образом, чтобы аудио сигнал звукового диапазона можно без потерь представить в импульсном виде.
При этом, как говорят инженеры, амплитуда аудио сигнала представляется в виде «скважности» прямоугольных импульсов - т.е. соотношения заполненной и пустой части на каждом из периодов несущей частоты.
Такой сигнал можно усилить очень просто - достаточно заставить переключаться гораздо более высокое напряжение (от источника питания. к примеру) по командам малого входного напряжения.
Сделать это можно с помощью согласованной пары полевых транзисторов, или как говорят «ключей».
А в процессе воспроизведения достаточно выделить полезный аудио сигнал из ШИМ-модулированной несущей частоты. Сделать это можно даже с помощью простейшего LC фильтра, отсекающего все, что лежит выше диапазона звуковых частот.
В результате у нас получается совсем несложная блок-схема усилителя, работающего в классе D.
Но, как говорится в известной поговорке: «Гладко было на бумаге, да забыли про овраги…».
Во-первых, подходящие по быстродействию и мощности транзисторы появились в распоряжении конструкторов только в 80-годах прошлого века. А до тех пор, и даже в 90-х годах применение усилителей класса D ограничивалось сабвуферами, где необходимый диапазон частот простирается только до 80-120 Гц.
Даже в 2011 году, когда High End компания Mark Levinson решила создать свой первый импульсный усилитель No53, ей пришлось придумать технологию переключения питания с перемежением (Interleaved Power Technology – IPT) которая повышает рабочую частоту до экстремально высокой - 2 МГц, за счет того, что внутри по сути дела 4 усилителя, работающие на частоте 500 кГц каждый. Тем не менее, этот первый опыт «вторжения класса D на территорию High End» оказался не совсем удачным. Эксперты из авторитетного журнала «Stereophile» придирчиво прослушали, как звучит новая модель, и посоветовали конструкторам вновь вернуться к своим рабочим столам.
Вторая проблема связана с особенностями обратного преобразования импульсного сигнала в аналоговый. Дело в том, что в процессе модуляции напряжения источника сигнала с помощью ШИМ - широтно-импульсной модуляции возникает высокий уровень помех в очень широкой полосе частот - вплоть до десятков мегагерц. Для их подавления на выходе усилителя устанавливают фильтр высоких частот со сложным характером выходного импеданса. В результате усилитель становится очень чувствительным к влиянию акустических кабелей и нестабильности импеданса акустических систем в полосе рабочих частот. Это означает, что с разными колонками и кабелями усилители класса D будут играть по-разному.
Третий тревожный нюанс возникает в момент перехода исходного аналогового сигнала через «ноль». Возможность сквозного прохода большого тока через одновременно открытые транзисторы требует наличия так называемой «зоны нечувствительности» - “dead-band”. Иначе - короткое замыкание и выход пары ключевых транзисторов из строя.
Эту проблему удалось частично решить с помощью индивидуальной регулировки ширины «мертвой зоны» для каждой конкретной пары транзисторов. Дело в том, что идеально похожих полупроводниковых приборов не бывает, и характеристики даже согласованных пар различаются. Поэтому проблему «мертвой зоны» решают, доводя ее до безопасной, но исчезающе малой величины - вплоть до менее 3 нс для всего выходного каскада.
В целом усилители высокого класса выигрывают от использования высококачественных компонентов, применения принципов усиления в усовершенствованном классе D и исчерпывающих испытаний. Для преодоления одной самых сложных проблем конструирования в классе D, при включении у них запускается алгоритм минимизации времени пребывания в «мертвой зоне» (нечувствительности), чтобы гарантировать наименьшие возможные искажения; поэтому для достижения оптимального качества звучания требуется меньшая глубина общей отрицательной обратной связи.
В сфере Hi-Fi усилители класса D сегодня уже получили широкое распространение. В распоряжении конструкторов имеется широкий выбор усилительных модулей для их создания - от таких компаний, как голландская Hypex - серия NCore, датская Bang&Olufsen - серия ICE, норвежская Abletec и другие. Они используются многими ведущими аудио-видео производителями как OEM-продукты в составе своих усилителей.
Например, так был создан стерео усилитель мощности TEAC AP-701 - с балансной архитектурой типа «двойное моно», в основе которого два заказных усилительных модуля класса D Hypex Ncore, тюнинг которых был проделан японскими инженерами . TEAC AP-505 также работает в классе D на основе технологии nCore, но именно TEAC гарантирует полное исчезновение «гранулярности» в почерке Hypex, что делает звук усилителя плавным и более «дружелюбным». В компактном корпусе интегрированного усилителя TEAC AI-303 также установлены экономичные, высококачественные усилительные модули Ncore®, сконструированные фирмой Hypex.
Высококачественные усилительные модули Ncore® фирмы Hypex
NC500 - это версия, которую Hypex выпустила для более широкого круга производителей, с выходным током ограниченным до 26 А. Мощность NC500 составляет 400 Вт на 8 Ом. Модуль поставляется “неполным”, то есть включает в себя только секцию управления и конечную секцию питания. Он имеет 38-контактный многополюсный разъем, к которому производитель должен подключить свою секцию предварительного драйвера и входной буфер. Именно здесь каждый производитель может подготовить что-то свое, разрабатывая собственный буферный каскад, который может включать в себя самые лучшие элементы и компоненты, имеющиеся на рынке.
Тюнигованный модуль Ncore фирмы Hypex - на плате надпись «Tuned by TEAC».
Исходный модуль NC500
Подводя итоги, можно уверенно сказать, что в массовой Hi-Fi аудио технике усилители класса D сегодня уже получили самое широкое распространение, подтвердив все заявленные преимущества. Однако, как и любая технология, класс D имеет и свои недостатки, которые ограничивают его сферу применения. К тому же очень трудно преодолеть застарелое предубеждение против вообще «цифры», как таковой.
Подписывайтесь на наш канал в Telegram