Аудио усилвател е общ термин, използван за описание на верига, която произвежда и усилва версия на своя входен сигнал. Въпреки това, не всички конверторни технологии са еднакви, тъй като са класифицирани според техните конфигурации и режими на работа.
В електрониката обикновено се използват малки усилватели, защото са в състояние да усилят относително малък входен сигнал, като например от сензор като музикален плейър, в много по-голям изходен сигнал за задвижване на реле, лампа или високоговорител и др.
Има много форми на електронни схеми, класифицирани като усилватели, от оперативни и малки сигнални преобразуватели до големи импулсни и силови преобразуватели. Класификацията на устройство зависи от размера на сигнала, голям или малък, неговата физическа конфигурация и как се обработва входният поток, тоест връзката между входното ниво и тока, протичащ в товара.
Анатомия на устройството
Аудиочестотните усилватели могат да се разглеждат като обикновена кутияили блок, съдържащ устройство, като биполярен, FET или оперативен сензор, който има два входни и два изходни терминала (масата е обща). Освен това изходният сигнал е много по-голям поради преобразуването му в устройството.
Идеалният усилвател на сигнала ще има три основни свойства:
- Входен импеданс или (R IN).
- Изходно съпротивление или (R OUT).
- Печалба, или (A).
Без значение колко сложна е веригата на усилвателя, може да се използва общ блоков модел, за да се демонстрира връзката на тези три свойства.
Общи понятия
Висококачествените аудио усилватели може да се различават по производителност. Всеки тип има цифрово или аналогово преобразуване. Кодовете са зададени да ги разделят.
Увеличената разлика между входните и изходните сигнали се нарича преобразуване. Коефициентът на усилване е мярка за това колко усилвател "трансформира" входния сигнал. Например, ако има входно ниво от 1 волта и изходно ниво от 50 волта, тогава преобразуването ще бъде 50. С други думи, входният сигнал е разработен 50 пъти. Аудиочестотен усилвател прави точно това.
Изчислението на преобразуването е просто съотношението на изхода, разделено на входа. Тази система няма единици като своето съотношение, но в електрониката символът A обикновено се използва за усилване. След това преобразуването се изчислява просто като "изход, разделен на вход".
силови преобразуватели
Лупа малкаСигналният усилвател обикновено се нарича усилвател на "напрежение", тъй като има тенденция да преобразува малък вход в много по-голямо изходно напрежение. Понякога е необходима схема на устройство за задвижване на мощност на двигателя или високоговорителя и за тези видове приложения, където са включени високи токове на превключване, са необходими преобразуватели на мощност.
Както подсказва името, основната задача на усилвателя на мощност (известен също като голям усилвател на сигнал) е да захранва захранването на товара. Това е продукт на напрежението и тока, приложени към товар с изходна мощност, по-голяма от нивото на входния сигнал. С други думи, преобразувателят увеличава мощността на високоговорителя, така че този тип блокова верига се използва във външните степени на аудио преобразувателите за задвижване на високоговорителите.
Принцип на действие
Аудио усилвателят работи на принципа на преобразуване на DC мощност, извлечена от захранването в сигнал за променливо напрежение, подаван към товара. Въпреки че преобразуването е високо, ефективността от DC захранването към изходния сигнал за променливо напрежение обикновено е ниска.
Идеалният блок дава на устройството ефективност от 100% или поне входната мощност ще бъде равна на изходната мощност.
Class division
Ако потребителите някога са разглеждали спецификацията на аудио усилватели на мощност, те може да са забелязали класове оборудване, обикновено обозначени с буквата илидве. Най-често срещаните типове блокове, използвани в потребителското домашно аудио днес, са стойности A, A/B, D, G и H.
Тези класове не са прости системи за класификация, а описания на топологията на усилвателя, тоест как функционират на ниво ядро. Въпреки че всеки тип усилвател има свой собствен набор от силни и слаби страни, тяхната производителност (и как се измерват крайните характеристики) остава същата.
Преобразува формата на вълната, изпратена от предварителното устройство, без да внася смущения или поне възможно най-малко изкривяване.
Клас A
В сравнение с други класове аудио усилватели на мощност, които ще бъдат описани по-долу, моделите от клас А са относително прости устройства. Определящият принцип на работа е, че всички изходни блокове на трансдюсера трябва да преминат през пълен цикъл на 360-градусов сигнал.
Клас А може също да бъде разделен на усилватели с един завършек и усилватели с издърпване. Push/pull се различава от основното обяснение по-горе чрез използване на изходни устройства по двойки. Докато и двете устройства изпълняват пълен 360-градусов цикъл, едното устройство ще носи по-голямата част от натоварването по време на положителната част на цикъла, докато другото ще носи повече от отрицателния цикъл.
Основното предимство на тази схема е намаленото изкривяване в сравнение с еднокрайните конструкции, тъй като дори колебанията в реда са елиминирани. Освен това, дизайните от клас А са по-малко чувствителни към шум.
Поради положителните качества, свързани с производителността от клас А, се счита за златен стандарт за качество на звука в много акустични приложения. Тези дизайни обаче имат един важен недостатък - ефективност.
Изискване към транзисторните аудио усилватели от клас А да имат всички изходни устройства включени по всяко време. Това действие води до значителна загуба на енергия, която в крайна сметка се превръща в топлина. Това допълнително се влошава от факта, че дизайните от клас А изискват относително високи нива на ток на покой, което е количеството ток, протичащ през изходните устройства, когато усилвателят произвежда нулев изход. Степента на ефективност в реалния свят може да бъде от порядъка на 15-35%, като е възможно да се използват единични цифри, като се използва силно динамичен изходен материал.
Клас B
Докато всички изходни механизми в аудио усилвател от клас А отнемат 100% от времето за работа, модулите от клас B използват push-pull схеми, така че само половината от изходните устройства се провеждат по всяко време.
Една половина покрива +180 градуса част от вълновата форма, докато другата половина покрива секцията -180 градуса. Вследствие на това усилвателите от клас B са значително по-ефективни от своите колеги от клас A, с теоретичен максимум от 78,5%. Като се има предвид относително високата ефективност, клас B се използва в някои професионални PA трансдюсери, както и в някои домашни лампови усилватели. Въпреки тяхочевидна сила, шансовете за придобиване на блок от клас B за къща са практически нулеви. Изследване на аудио усилвателя показа причината за това, известна като кросоувър изкривяване.
Проблемът с латентността при предаването между устройствата, обработващи положителните и отрицателните части на вълновата форма, се счита за значителен. Разбира се, това изкривяване се чува в достатъчни количества и докато някои дизайни от клас B бяха по-добри от други в това отношение, клас B получи малко признание от ентусиастите с чисто звучене.
Клас A/B
Ламповият аудио усилвател може да се намери на много концертни зали. Има висока производителност и не прегрява. Освен това моделите са много по-евтини от много цифрови блокове. Но има и отклонения. Такъв модул може да не работи с всички аудио формати. Ето защо е по-добре да използвате оборудването като част от общ комплекс за обработка на сигнали.
Клас A/B комбинира най-доброто от всеки тип устройство, за да създаде единица без недостатъците на нито едно от двете. С тази комбинация от предимства, усилвателите от клас A/B до голяма степен доминират на потребителския пазар.
Решението всъщност е доста просто като концепция. Когато клас B използва push-pull устройство, като всяка половина от изходното стъпало провежда 180 градуса, механизмите от клас A/B го увеличават до ~181-200 градуса. По този начин имамного по-малко вероятно е да има "разкъсване" в цикъла и следователно изкривяването на кросоувъра пада до точката, в която няма значение.
Аудио усилвателите на мощност на клапана могат да абсорбират тази интерференция много по-бързо. Благодарение на това свойство звукът излиза от устройството много по-чист. Модели с тези характеристики често се използват за трансформиране на звука на акустични и електрически китари.
Достатъчно е да се каже, че клас A/B изпълнява обещанието си, като лесно превъзхожда чистите конструкции от клас A при ~50-70% производителност в реалния свят. Действителните нива, разбира се, зависят от това колко е изместен усилвателят, както и от програмния материал и други фактори. Също така си струва да се отбележи, че някои дизайни от клас A/B отиват една крачка напред в стремежа си да премахнат изкривяването на кросоувъра, като работят в чист режим от клас A до няколко вата мощност. Това дава известна ефективност при ниски нива, но гарантира, че усилвателят няма да се превърне в пещ, когато се прилага голямо количество мощност.
Класове G и H
Друг чифт дизайни, предназначени да подобрят ефективността. От техническа гледна точка нито усилвателите от клас G, нито от клас H са официално признати. Вместо това те са вариации на темата от клас A/B, използвайки съответно превключване на напрежението на шината и модулация на шината. Във всеки случай, при условия на ниско търсене, системата използва по-ниско напрежение на шината от подобен усилвател от клас A/B, което значителнонамалява консумацията на енергия. Когато възникнат условия на висока мощност, системата динамично увеличава напрежението на шината (т.е. превключва към шината за високо напрежение), за да се справи с преходни процеси с висока амплитуда.
Има и недостатъци. Основният сред тях е високата цена. Оригиналните схеми за превключване на мрежата са използвали биполярни транзистори за управление на изходните потоци, добавяйки сложност и цена. Висококачествените тръбни аудиочестотни усилватели от този тип са често срещани, въпреки че цената започва от 50 хиляди рубли. Блокът се счита за професионална техника за работа на сцена или запис в студио. Има проблеми с транзисторите. При продължително натоварване някои от тях може да се повредят.
Днес цената често се намалява до известна степен чрез използване на MOSFET с висок ток за избор или смяна на водачи. Използването на MOSFETs не само подобрява ефективността и намалява топлината, но също така изисква по-малко части (обикновено едно устройство на нишка). В допълнение към разходите за превключване на шината, самата модулация, също така си струва да се отбележи, че някои усилватели от клас G използват повече изходни устройства, отколкото типичен дизайн от клас A/B.
Една двойка устройства ще работи в типичен A/B режим, захранвани от шини с ниско напрежение. Междувременно другият е в режим на готовност, за да действа като усилвател на напрежението, активиран само в зависимост от ситуацията. Издържат на високи натоварвания само класове G и H,свързани с мощни усилватели, където повишената ефективност се отплаща. Компактните дизайни могат също да използват топологии от клас G/H, за разлика от A/B, като се има предвид, че възможността за превключване към режим на ниска мощност означава, че могат да се разминат с малко по-малък радиатор.
Клас D
Този тип устройство ви позволява да създавате свои собствени модулни системи. С помощта на оборудването се извършва висококачествена обработка на целия изходящ поток. Проектирането на аудиочестотни усилватели на мощност ви позволява да създадете своя собствена мултимедийна система за работа или забавление. Тук обаче има някои нюанси. Често погрешно наричани цифрово усилване, преобразувателите от клас D са гаранция за ефективност на единиците и постигат печалби над 90% при действителното тестване.
Първо си струва да помислите защо това е клас D, ако "цифровото усилване" е неправилно. Това беше просто следващата буква от азбуката, с клас C, използван в аудио системите. По-важното е как може да се постигне 90%+ ефективност. Докато всички по-горе споменати класове усилватели имат едно или повече изходни устройства, които са постоянно активни, дори когато преобразувателят действително е в режим на готовност, модулите от клас D бързо ги изключват и включват. Това е доста удобно и прави възможно използването на модула само в точните моменти.
Например, изчисляването на аудио усилватели от клас T, които саРеализацията на Tripath от клас D, за разлика от основното устройство, използва честоти на превключване от порядъка на 50 MHz. Изходните устройства обикновено се управляват чрез модулация на ширината на импулса. Това е, когато квадратни вълни с различна ширина се генерират от модулатор, който представя аналогов сигнал за възпроизвеждане. При строг контрол на изходните устройства по този начин, 100% ефективност е теоретично възможна (въпреки че очевидно не е постижима в реалния свят).
Ровейки се в света на аудио усилвателите от клас D, можете също да намерите споменаване на аналогови и цифрови управлявани модули. Тези контролни блокове имат аналогов входен сигнал и аналогова система за управление, обикновено с известна степен на корекция на грешката с обратна връзка. От друга страна, усилвателите от клас D на цифрово преобразуване използват цифрово управление, което превключва силовото стъпало без контрол на грешки. Това решение също намира одобрение, според отзивите на много купувачи. Тук обаче ценовият сегмент е много по-висок.
Изследванията на аудио усилвателите показват, че аналогово задвижван клас D има предимство пред цифровия аналог, тъй като обикновено предлага по-нисък изходен импеданс (съпротивление) и подобрен профил на изкривяване. Това повишава първоначалните стойности на системата при максимално натоварване.
Параметрите на аудиочестотните усилватели са много по-високи от тези на основните модели. Трябва да се разбере, че такива изчисления са необходими само за създаване на музика в студиото. За обикновените купувачи, тезихарактеристиките могат да бъдат пропуснати.
Обикновено L-верига (индуктор и кондензатор), поставена между усилвателя и високоговорителите за намаляване на шума, свързан с работа от клас D. Филтърът е от голямо значение. Лошият дизайн може да компрометира ефективността, надеждността и качеството на звука. Освен това обратната връзка след изходния филтър има своите предимства. Въпреки че дизайните, които не използват обратна връзка на този етап, могат да настроят реакцията си към специфичен импеданс, когато такива усилватели имат сложно натоварване (т.е. високоговорител, а не резистор), честотната характеристика може да варира значително в зависимост от натоварването на високоговорителя. Обратната връзка стабилизира този проблем, като осигурява плавен отговор на сложни натоварвания.
В крайна сметка сложността на аудио усилвателите от клас D има своите предимства. Ефективност и като резултат по-малко тегло. Тъй като относително малко енергия се изразходва за топлина, се изисква много по-малко енергия. Като такива, много усилватели от клас D се използват във връзка с комутирани захранващи устройства (SMPS). Подобно на изходния етап, самото захранване може бързо да се включва и изключва, за да се регулира напрежението, което води до по-нататъшно повишаване на ефективността и възможността за намаляване на теглото в сравнение с традиционните аналогови/линейни захранвания.
Като цяло дори мощните усилватели от клас D могат да тежат само няколко килограма. Недостатъкът на SMPS захранванията в сравнение с традиционните линейни захранвания ече първите обикновено нямат много място за главата.
Тестове и многобройни тестове на аудио усилватели клас D с линейни захранвания в сравнение със SMPS модули показаха, че това наистина е така. Когато два усилвателя работеха с номинална мощност, но единият с линейно захранване може да генерира по-високи динамични нива на мощност. Въпреки това, дизайните на SMPS стават все по-често срещани и можете да очаквате да видите по-добри модули от следващо поколение клас D, използващи подобни форми в магазините.
Сравнение на ефективността на класове AB и D
Въпреки че ефективността на транзисторния аудио усилвател от клас A/B се увеличава с приближаването на максималната изходна мощност, дизайните от клас D поддържат висока ефективност в повечето работни диапазони. В резултат ефективността и качеството на звука все повече клонят към последния блок.
Използвайте един трансдюсер
Когато се прилага правилно, всеки от горните блокове извън клас B може да формира основата на усилвател с висока прецизност. Освен потенциалните капани на производителността (които са предимно дизайнерско решение, а не специфично за класа), изборът на тип блок е до голяма степен въпрос на цена спрямо ефективност.
На днешния пазар простият аудио усилвател от клас A/B доминира и с добра причина. Работи много добре, сравнително евтин е и еефективността е доста адекватна за приложения с ниска мощност (>200W). Разбира се, тъй като производителите на преобразуватели се опитват да продължат, например, с моноблока Emotiva XPR-1 от 1000 W, те се обръщат към дизайни от клас G/H и D, за да избегнат дублирането на своите усилватели като системи, способни бързо да загряват оборудването. Междувременно от другата страна на пазара има фенове от клас А, които могат да простят липсата на ефективност на устройството с надеждата за по-чист звук.
Резултат
В края на краищата, конвертиращите класове не са непременно толкова важни. Разбира се, има реални разлики, особено що се отнася до разходите, ефективността на усилвателя и следователно теглото. Разбира се, 500W уреди клас А са лоша идея, освен ако, разбира се, потребителят няма мощна охладителна система. От друга страна, разликите между класовете не определят качеството на звука. В крайна сметка това се свежда до разработване и изпълнение на собствени проекти. Важно е да се разбере, че трансдюсерите са само едно устройство, което е част от аудиосистемата.
