Как работает усилитель класса «G» и «H», или На ступень выше
С усилителями классов G и H, как только они появились на свет, началась изрядная неразбериха. Эти технологии имеют куда больше общих черт, нежели отличий, поэтому их частенько путают между собой, а одну и ту же технологию в зависимости от страны могут обозначать разными буквами. Но как их ни назови, суть дела принципиально не меняется. И класс G, и класс H являются ближайшими родственниками класса АВ, но превосходят его по энергоэффективности. Иными словами — продолжают общую тенденцию развития усилителей, которая наметилась с появлением класса В.
История
Предпосылкой к созданию усилителей класса G был факт нелинейности уровня музыкального сигнала. Большую часть времени музыка звучит на малом и среднем уровне, когда от усилителя не требуется большая мощность. Но для того, чтобы без потерь отработать редко встречающиеся в музыке динамические всплески, требующие большой отдачи энергии, усилитель приходится держать в режиме высокой мощности постоянно. В то же время из соображений экономии было бы неплохо, если бы блок питания усилителя работал на полную лишь в те моменты, когда это требуется для отработки громких звуков, а все остальное время потреблял меньше энергии от сети.
Над этой задачей думало немало инженеров середины ХХ века, но первым решил ее в 1964 году сотрудник NASA Мануэль Крамер. Он разработал схемотехнику, в которой усилитель имеет несколько шин питания, и их переключение меняет мощность (и энергопотребление) усилителя в зависимости от того, какова величина громкости входящего сигнала.
Первое практическое применение схемотехнике класса G нашли инженеры Hitachi, наладившие серийный выпуск усилителей такого типа в 1977 году. Именно в тот момент и появилось само понятие «класс G». Аналогичную схему в 1981 году реализовал небезызвестный Боб Карвер и дал своему детищу другое маркетинговое название — «класс H», на некоторое время закрепившееся в американской прессе. Несколько позже схема пережила существенное усовершенствование и появился тот вариант, который сейчас и называют классом H, а все предыдущие вариации, включая то, что изначально делал Боб Карвер, были объединены под названием «класс G».
Принцип работы
Принцип работы усилителей класса G и класса H можно описать буквально в двух словах. Их сигнальная часть аналогична усилителям класса АВ и на малой громкости работает в точно таком же режиме (напомним, что на низких уровнях сигнала класс AB работает в классе А). Весь секрет кроется в блоке питания, который отслеживает уровень входящего сигнала. Как только уровень громкости поднимается, блок питания повышает напряжение питания, тем самым давая возможность усилителю работать с большей амплитудой, и понижает напряжение, как только уровень сигнала на входе падает.
Отличие класса G от класса H кроется в том, как именно происходит изменение уровня напряжения питания. В классе G блок питания имеет несколько обмоток трансформатора, формирующих питающие шины с разными уровнями напряжения. При повышении уровня входящего сигнала происходит дискретное повышение напряжения питания — либо путем перехода на более высоковольтную шину, либо путем суммирования напряжений основной и дополнительной шин питания.
Таких ступеней повышения питания может быть несколько. В упрощенном виде это происходит следующим образом: пока уровень сигнала находится на малом уровне, усилитель имеет максимальную мощность 10 Вт. Как только уровень громкости повышается, подключается дополнительное питание, и запас мощности увеличивается до 100 Вт, а на пиках подключается еще один каскад питания, и усилитель выдает 300 Вт. Поскольку даже в самой ритмичной и агрессивной музыке большие энергетические всплески непостоянны, фактическое энергопотребление усилителя класса G оказывается ближе к показателям его минимальной, а не максимальной мощности.
Появившийся спустя некоторое время класс H фактически является версий класса G с плавно изменяемым уровнем питающего напряжения. Схемы, отслеживающие уровень входящего сигнала, повышают и понижают напряжение питания не ступенчато, а плавно, сообразно величине нарастания и снижения уровня входного сигнала. В простых версиях повышение напряжения питания обеспечивается за счет конденсаторов вольт-добавки, в более сложных — дополнительная секция питания, по сути, представляет собой еще один усилитель мощности. Как и в классе G, на малых уровнях сигнала класс H работает без изменения уровня питающего напряжения аналогично обычному классу АВ.
Плюсы
Очевидный плюс усилителей классов G и H — лучшая энергоэффективность. При прочих равных они потребляют меньше энергии, чем усилители класса АВ. Кроме того, поскольку основную часть времени усилители классов G и H работают с пониженным напряжением питания, они рассеивают меньше тепла и требуют радиаторов меньшего размера, чем аналогичные усилители класса АВ. На фоне более современных усилителей класса D класс G и H имеют одно заметное отличие — сохранение привычного характера звучания, свойственного классу АВ. Если же сравнивать классы G и H между собой, можно отметить простоту конструкции последнего.
Минусы
Продолжая тему снижения энергопотребления, нельзя не отметить и тот факт, что переход от класса А к классу АВ дал куда более существенный прирост КПД усилителя, нежели переход от АВ к G или H. При этом класс D превосходит по энергоэффективности все предыдущие классы куда более существенно, и на его фоне разница между классом АВ и классами G/H начинает казаться совершенно незначительной. В свете этого на первый план выходит вопрос технически более сложной схемотехники классов G и H. Фактически, эта конструкция в полтора-два раза сложнее обычного класса АВ со всеми вытекающими из этого рисками снижения надежности и стабильности работы.
Особенности
Разберемся, что же мы получаем в лице класса G и H с пользовательской точки зрения. Первое — это сочетание компактности, энергоэффективности и классического характера звучания. Если хочется мускулистого, но не слишком прожорливого усилителя, а класс D не устраивает по идеологическим причинам, классы G и H — ваш выбор. Привычный характер класса АВ, дополненный динамикой и мощью класса D, к вашим услугам.
Второе преимущество не столь очевидно, но, в действительности, более значительно. Имея солидный запас энергии, усилители классов G и H лучше справляются со сложной нагрузкой. Такой аппарат куда спокойнее реагирует на акустику с низкой чувствительностью или модели, требующие высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.
Практика
Проверить все вышеописанные тезисы на живом примере мы решили с помощью Arcam HDA SA20. Во-первых, этот аппарат отлично демонстрирует все преимущества класса G, а во-вторых, реальный выбор устройств с такой схемотехникой довольно скуден, особенно на российском рынке.
Имея выходную мощность 90 Вт на канал при импедансе нагрузки 8 Ом, Arcam HDA SA20 демонстрирует скромные габаритные размеры с высотой корпуса в половину типичного интегрированного усилителя такой мощности. Радиаторы установлены внутри и имеют размеры, сравнимые с усилителем класса АВ в полтора-два раза меньшей мощности, наглядно демонстрируя преимущества класса G. В блоке питания используется двухступенчатая схема. Две пары обмоток трансформатора и два набора конденсаторов разной емкости формируют две шины питания: основную и дополнительную, подключаемую при возрастании нагрузки. Весьма показательным является значение гармонических искажений. При нагрузке 80% они составляют 0,002%.
Скромный на вид Arcam HDA SA20 казался подходящим партнером разве что для полочной акустики, но это тот случай, когда внешность обманчива на все 100%. Усилитель не менял характер звучания и не упускал бас из-под контроля на акустике любой сложности. Самые мощные и требовательные модели подчинялись его воле беспрекословно, выдавая на удивление точный, быстрый и упругий бас, поражающий сочетанием плотности, динамики и тембральной полноты. С лучшими представителями классов А и АВ те же колонки выдавали низкие частоты куда менее сфокусированно, а порой норовили даже размазать ноты или слить их в общий гул без какой-либо конкретики.
Средние и верхние частоты звучали столь же собранно и четко, без всякой выраженной окрашенности и без искажений даже на высокой громкости. Живая музыка и вокал воспроизводились точно как тембрально, так и интонационно.
Каких-либо изменений характера звучания на разных уровнях громкости заметить не удалось. Усилитель играл детально и чисто как на малой, так и на большой громкости. Будучи исключительно сфокусированным, звук Arcam HDA SA20 не казался сухим или пустым. Усилитель просто не добавлял в музыку ничего лишнего. Те записи, которые должны были звучать тепло и выразительно, показывали именно такой характер, а сухие и жесткие миксы не подкрашивались и не смягчались.
Единственный момент, вызвавший некоторые вопросы — построение сцены. Она была достаточно широкой, но казалась плоской, без ощутимой глубины, хотя та же акустика с другими усилителями создавала куда более убедительное ощущение объема. Впрочем — это однозначно говорит лишь о том, что имеется поле для экспериментов. Основные же признаки схемотехники класса G были вполне очевидны и проявили себя наилучшим образом. Кстати, по ходу тестирования Arcam HDA SA20 нагрелся очень умеренно.
Выводы
Если класс АВ имеет полное право называться решением практичным, класс G (и примкнувший к нему класс H) вполне может претендовать на титул с приставкой «супер» или «экстра». Он может все то же самое, что лучшие представители класса АВ, но делает это более легко и красиво. Для того, чтобы получить ту динамику звучания и ту степень контроля баса, которую выдал один скромный усилитель класса G, нам понадобились бы два огромных моноблока, работающих в классе А, один солидный мощник класса АВ или… всего лишь один миниатюрный усилитель класса D. Но это уже совсем другая история. А в мире классической схемотехники классы G и H совершенно однозначно находятся на высшей ступени эволюции.
Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.
Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:
Классы усиления. Еще раз о усилителях мощности
Долгое время в высококачественной аппаратуре звукоусиления применялись только режимы класса A и AB. Это объяснялось тем, что в качестве активных элементов использовались лампы, а ламповый усилитель класса B давал такое количество нелинейных искажений, что их высокий уровень был неприемлем даже для громкоговорящих систем оповещения. Все ламповые усилители, мало-мальски претендующие на «высокую верность» звучания, работали в режиме класса A. Транзисторные УМЗЧ дают разработчику больший простор для творчества: в коммерческих разработках используются все классы, описанные ниже.
Класс A
В режиме класса A через усилительные элементы (УЭ) – выходные транзисторы или лампы ток течет все время, тем самым предотвращается включение и выключение транзистора при смене полярности усиливаемого сигнала, а следовательно, снижается коэффициент нелинейных искажений. Это не часто описывается в руководствах, но известно два существенно отличающихся способа реализации данного режима. Первый способ – это просто двухтактный эмиттерный повторитель, знакомый всем по режиму класса B, но с увеличенным напряжением смещения, так что ни один из двух транзисторов при нормальных сопротивлениях нагрузки никогда не входит в режим отсечки. Преимущество этого способа заключается в том, что в этой схеме не возникает перегрузка по току: при снижении сопротивления нагрузки ниже допустимого транзисторы просто входят в режим класса AB, при этом несколько увеличивается коэффициент нелинейных искажений, но звучание все еще остается достаточно качественным.
Другой способ реализации режима класса A известен также как источник тока, управляемый напряжением (ИТУН): это один усилительный элемент, включенный по схеме повторителя напряжения с активной нагрузкой в цепи эмиттера (или катода) для обеспечения рабочего тока через усилительный элемент. При повышении тока нагрузки сверх установленного предела напряжение на активной нагрузке достигает некоторой величины и далее практически не изменяется, что приводит к обрезанию выходного сигнала.
В руководствах по ламповым усилителям упоминаются таинственные классы AB1 и AB2. В первом из них некоторую часть цикла ток через сетку не течет, а во втором – течет всегда. Такое разделение важно для ламповых усилителей, так как сеточный ток выходной лампы в режиме AB2 требует более кропотливого расчета предыдущего каскада.
Для транзисторных усилителей это разделение не имеет особого смысла, так как базовый ток биполярного транзистора течет всегда, пока транзистор не войдет в режим отсечки, а ток затвора полевого транзистора всегда отсутствует (если не считать заряда и разряда внутренних емкостей).
Класс AB
Это комбинация режимов класса A и B. В отсутствие напряжения смещения усилительный элемент работает в режиме класса B, если это напряжение несколько увеличить, то он войдет в режим класса AB. Получается, что при достаточно малой амплитуде сигнала усилительные элементы двухтактного выходного каскада работают в режиме класса A, оставаясь все время открытыми, а при большой амплитуде – работают попеременно, так что один из них входит в режим отсечки, в то время как ток через другой увеличивается. В момент переключения обоих элементов существенно возрастает искажение сигнала. В зависимости от смещения и уровня выходного сигнала, каждый из усилительных элементов работает от 50% до 100% всего времени.
Коэффициент нелинейных искажений усилителя класса AB больше, чем у усилителей классов A или B, поэтому, на мой взгляд, единственное разумное применение класса AB – это аварийный режим работы усилителя класса A при понижении импеданса нагрузки ниже установленного предела, позволяющий ему сохранять работоспособность в этом случае.
Класс B
Усилители, исправляющие ошибки. В усилителях данного типа вместо обычной для аудиотехники отрицательной обратной связи используется метод коррекции ошибок. Существует, по крайней мере, три метода коррекции ошибок.
Усилители без коммутации. Наиболее заметные искажения сигнала в усилителях класса B вызваны процессом переключения мощных транзисторов двухтактного выходного каскада, которые осуществляют коммутацию шин питания на низкоомную нагрузку – громкоговоритель. Многие разработчики пытались устранить эти искажения, переводя транзисторы в такой режим работы, когда через них все время течет хотя бы малый ток.
Усилители тока. Почти все усилители мощности «стремятся быть» источником напряжения с минимальным выходным сопротивлением, это позволяет обеспечить постоянное усиление при вариации импеданса нагрузки, который зависит от частоты усиливаемого сигнала.
Противоположный подход – усилитель с достаточно высоким выходным сопротивлением, который ведет себя как источник тока. Это устраняет некоторые проблемы (например, когда при нагревании сопротивление катушки индуктивности громкоговорителя повышается), но вызывает появление новых (например, проблемы с резонансом в громкоговорителе).
Метод Бломлея. Питер Бломлей (Blomley) в 1971 году предложил метод [20], который предохранял транзисторы выходного каскада от полного запирания. Идея состояла в том, чтобы расщепить положительную и отрицательную полуволны в предварительных каскадах, а не в оконечных. В этом случае режим работы транзисторов оконечного каскада может быть выбран таким образом, чтобы через них всегда протекал хотя бы минимальный ток. Тем не менее, данный метод пока не получил широкого распространения в коммерческих разработках.
Класс AB-среднее геометрическое. Классическое объяснение принципа работы усилителя класса B предполагает, что двуполярное напряжение на базах транзисторов двухтактного каскада достаточно точно передается на их эмиттеры и что при этом транзисторы переключаются одновременно при смене полярности усиливаемого напряжения и работают строго попеременно. На практике переключение происходит не сразу и из-за этого наблюдается искажение типа «ступенька» в выходном сигнале. В практически используемых схемах в цепи эмиттеров обоих транзисторов устанавливаются специальные резисторы.
Вложенные контуры ООС. Довольно изощренная и достаточно сложная методика использования нескольких контуров отрицательной обратной связи.
Класс C
Это импульсный режим работы усилительного элемента, когда при усилении синусоидального сигнала УЭ находится в открытом состоянии менее чем 50% всего времени. Данный режим используется на радиочастотах, в этом случае LC-цепь выделяет основную гармонику искаженного сигнала.
Класс D
В этом режиме усилительный элемент переключает выходную линию то на одну шину питания, то на другую со сверхзвуковой частотой, при этом продолжительность выходных импульсов и паузы между ними подбирается таким образом, чтобы среднее выходное напряжение соответствовало уровню усиливаемого сигнала. Иначе говоря, речь идет о широтно/импульсной модуляции (ШИМ – Pulse Width Modulation, PWM). Несмотря на перспективность такого подхода и многочисленные попытки построения различных схем на этой основе, этот режим все еще мало применяется в УМЗЧ из-за многих пока непреодолимых трудностей, особенно в плане электромагнитной совместимости, ведь мощные прямоугольные импульсы частотой 200 кГц являются источником электромагнитных помех.
Коэффициент искажений не такой уж и низкий, а допустимая глубина ООС ограничена частотой ШИМ-импульсов. Для удаления высокочастотных гармоник на выходе усилителя перед динамиком необходимо использовать фильтр низких частот с крутым спадом, для этого обычно требуется не менее четырех катушек индуктивности (для стереовыхода), что заметно повышает стоимость конструкции. Но самой плохой особенностью усилителей данного класса является то, что они могут обеспечить достаточно плоскую АЧХ только при заданном импедансе нагрузки.
Класс E
В этом режиме применен чрезвычайно изобретательный способ работы транзистора, в котором через него либо течет очень малый ток, либо на нем падает малое напряжение, в результате рассеиваемая мощность невелика. К сожалению, этот режим используется только для усиления сигналов радиочастотного диапазона и поэтому не находит применения в аудиотехнике.
Класс G
Этот режим был предложен фирмой Hitachi в 1976 году с целью сокращения рассеиваемой усилителем мощности. Аудиосигналы имеют высокое отношение максимум/среднее значение, при этом большая часть времени расходуется на низкие уровни, поэтому рассеиваемую на выходном транзисторе мощность можно значительно снизить за счет перехода от низковольтных шин питания к высоковольтным.
Усилители класса G имеют две пары шин питания (высоковольтную и низковольтную), как показано на рис. 1. При малой амплитуде выходного сигнала питание осуществляется низковольтной шиной V1. Когда уровень сигнала превышает напряжение 15 В, диод D3 или D4 (для положительной и отрицательной полуволны соответственно) закрывается, открывается транзистор TR6 или TR8 и в работу включается высоковольтная шина V2. В это время транзисторы TR6 и TR3 (для положительной полуволны) или TR8 и TR4 (для отрицательной) включены последовательно, в результате мощность, рассеиваемая на каждом из них, снижается. Внутренние транзисторы TR3 и TR4 обычно работают в режиме класса B, хотя может использоваться также режим класса AB или A, для этого надо увеличить напряжение смещения. Внешние транзисторы TR6 и TR8 работают в режиме класса C, находясь в открытом состоянии менее 50% периода усиливаемого синусоидального сигнала.
Рис. 1. УМЗЧ класса G. Когда уровень выходного сигнала превышает порог переключения, диод D3 или D4 закрывается, в результате питание обеспечивается высоковольтной шиной.
Вообще говоря, скачок напряжения на коллекторах транзисторов не должен сильно сказываться на уровне выходного сигнала, но на практике усилители класса G имеют меньшую линейность, чем усилители класса B, потому что в результате переключения диодов и перезаряда их паразитных емкостей возникают дополнительные помехи.
Очевидным обобщением описанного методы снижения рассеиваемой на транзисторах мощности является дальнейшее увеличение числа шин питания. На практике обычно используется не более трех пар. Внутренние транзисторы, как и раньше, работают в режиме класса B/AB, а промежуточные и внешние транзисторы – в режиме класса C, причем последние находятся в открытом состоянии меньшее время, чем первые.
Рис. 2. Комбинация двух эмиттерных повторителей – УМЗЧ класса G (параллельное включение) с двумя парами шин питания.
Схема, работающая в параллельном варианте класса G, показана на рис. 2. При низком уровне выходного сигнала в открытом состоянии находятся только транзисторы Q3 и Q4, которые получают питание от низковольтной шины. Выше порога, задаваемого напряжениями смещения VСМ3 и VСМ4, открываются диоды D1 и D2 и начинают работать выходные транзисторы Q6 и Q8, питаемые от высоковольтной шины.
Диоды D3 и D4 обеспечивают защиту транзисторов Q3 и Q4 от отрицательного напряжения смещения. Выходные транзисторы Q6 и Q8 находятся в открытом состоянии менее 50% периода усиливаемого синусоидального сигнала, то есть работают в режиме класса C. Транзисторы Q3 и Q4 обычно работают в режиме класса B.
Наиболее мощные усилители класса G, использующие параллельное включение выходных каскадов, имеют три пары шин питания.
Класс H
Основывается на классе B, только используется повышение напряжения на един ственной паре шин питания, вместо переключения между несколькими шинами, как в классе G.
Класс S
Класс усиления S, названный так Сэндмэном, использует каскад класса A с малым выходным током совместно с каскадом класса B, подключенным таким образом, чтобы увеличить эффективное значение импеданса нагрузки, «видимое» со стороны первого каскада. Похожий метод был использован в усилителе Technics SE-A100.
Автор: Дуглас Селф (Douglas Self)
Усилители класса G — как они работают. Плюсы и минусы подхода
Класс работы усилительных каскадов не имеет ничего общего со степенью совершенства вашего усилителя. Потому именуются эти классы не привычными с советских времен терминами «высший», «первый» или «второй», а безликими литерами латинского алфавита. Что скрывается за ними? Давайте разбираться.
Класс, в котором работает каскад усиления, определяет принцип, на котором базируется схемотехническое решение этого каскада. В то время как конкретная реализация и используемые комплектующие будут серьезно влиять как на инструментальные параметры конкретной модели усилителя, так и, что более важно, на качество его звучания. Но, при этом, общие характерные особенности внутри класса будут сохраняться.
Сначала была буква A
Впервые принцип усиления электрического сигнала был запатентован компанией General Electric более ста лет назад, в далеком 1916 году. Для реализации этого принципа, в дальнейшем получившим название «класс A», достаточно одного усилительного элемента – транзистора или лампы. Понятно, что в то время транзисторов ещё не было, потому будем говорить о лампе, хотя ровно те же подходы реализуются и с использованием транзисторов. Итак, вакуумный триод имеет три элемента, заключенных в колбу с сильно разреженным газом – катод, анод и управляющая сетка. Если приложить напряжение к катоду и аноду, то между ними возникает поток электронов. Управляющая сетка располагается между этими электродами и, в зависимости от приложенного к ней потенциала, регулирует этот поток, подобно вентилю на водопроводной трубе. Чем выше приложенный к сетке потенциал – тем меньше электронов попадает от катода к аноду. Вплоть до полного прекращения потока – этот момент называется закрытием лампы. Подключив нагрузку, в качестве которой может выступать динамик или акустическая система, к аноду и катоду, и подав на управляющую сетку входной сигнал от источника, получаем простейший усилительный каскад, работающий в классе A.
Правда, здесь есть один нюанс – усилители звука работают с переменными сигналами звуковых частот, имеющими положительную и отрицательную составляющие. И если при прохождении положительной полуволны лампа будет корректно отрабатывать её форму на выходе, то когда подойдет очередь отрицательной полуволны – триод будет в закрытом состоянии, а на выходе будет гробовая тишина. Чтобы этого не происходило «нулевой» уровень входного сигнала смещают в середину рабочего диапазона лампы. Таким образом, обрабатывая положительную полуволну лампа открывается сильнее, а при работе с отрицательной полуволной триод начинает закрываться от средней точки, но не доходит до состояния полного закрытия. Именно это смещение обуславливает характерные особенности усилительных каскадов, работающих в классе A.
Неоспоримыми плюсом такого решения является то, что усилительный элемент всегда работает в середине своего рабочего диапазона, то есть, всегда готов незамедлительно реагировать на изменения входного напряжения. Кроме того, этот элемент в схеме работает автономно, то есть, отсутствует проблема тщательного подбора комплектующих для совместной работы.
Обратной стороной медали стал невысокий КПД таких каскадов, достигающий в лучших своих реализациях 25-30%. Дело в том, что при отсутствии сигнала на входе триод полуоткрыт и фактически расходует энергию впустую. Эта энергия (70 – 75%!) преобразуется в тепло, что, во-первых, заставляет реализовывать громоздкие системы охлаждения, а, во-вторых, ведет к ускоренному износу элементов схемы. Кроме того, каскад в классе A отлично работает на малых уровнях громкости, когда амплитуда выходного сигнала с запасом укладывается в рабочий диапазон триода. При увеличении громкости, по мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона усилительного элемента, начинают расти искажения. Причем, при приближении к полностью открытому или полностью закрытому состоянию, искажения растут экспоненциально.
Сказал A – говори B
При разработке усилительных каскадов класса B решили обойтись без смещения, обуславливающего проблемы класса A – для обработки каждой полуволны входного сигнала предложили использовать разные усилительные элементы, включенные зеркально. Обе таких лампы или транзистора работают с нулевым смещением – пока один из пары обрабатывает свою полуволну, второй находится в полностью закрытом состоянии. Когда подходит очередь полуволны с обратным знаком, их роли меняются. Кроме очевидно большей энергоэффективности такого подхода (нет смещения, а значит при отсутствии полезного сигнала на входе оба элемента каскада находятся в закрытом состоянии и практически не потребляют энергию), на каждую полуволну входного сигнала приходится весь рабочий диапазон усилительного элемента. То есть, при использовании однотипных ламп или транзисторов можно получить существенно более высокую выходную мощность.
Но именно здесь кроется и самая большая проблема усилителей класса B, которая не позволила найти им широкое применение в аудио – дело в том, что переходные процессы из закрытого состояния усилительного элемента в открытое всегда требуют некоторого времени, что вызывает временные задержки. К сожалению, подобные искажения фатальным образом влияют на звук.
Класс AB – впрягаем коня и трепетную лань
Название этого класса отражает его суть – это гибридное решение, опирающееся на принципы усиления, реализованные в классах A и B, и призванное решить присущие этим классам проблемы. Прежде всего, нужно было избавиться от задержек, вызванных переходными процессами при работе усилительных элементов в классе B. Для этого оба транзистора были включены со смещением, что не позволило элементам в процессе работы полностью закрываться, а значит – устранило связанные с этим задержки. Но величина этого смещения была выбрана существенно меньшей, чем в классе A. Кроме того, введение такого смещения позволило на малых уровнях сигнала (определяемых величиной выбранного смещения) усилительному каскаду работать в чистом классе A, а в класс AB переходить только по мере роста выходной мощности.
По энергоэффективности класс AB гораздо ближе к классу B, хотя и уступает ему. Тем не менее, КПД лучших реализаций усилителей, работающих в классе AB, может достигать 70-75%. При этом, класс AB способен обеспечить ощутимо большую выходную мощность, чем каскады, работающие в классе A, практически не уступая им по качеству звучания на малых уровнях громкости, но сильно опережая по качеству звучания на тихой музыке усилители класса B.
Класс G – эволюция класса AB
При разработке класса G инженеры успешно решили задачу дальнейшего повышения энергоэффективности усилительных каскадов, работающих в классе AB. То есть, класс G по сути стал эволюционным развитием класса AB с большим КПД, что позволило делать усилители компактнее и легче.
Принцип, заложенный в усилители класса G, использует неравномерность уровня музыкального сигнала. Зачастую, большую часть времени музыка звучит на средних и низких уровнях громкости, для которых не требуется большая выходная мощность. Появилась идея использования для усилительных каскадов не одной, а нескольких шин питания разной мощности, которые бы переключались в зависимости от уровня входного сигнала. То есть, фактически речь идет о реализации следящего питания. Впервые подобные решения разработал инженер NASA Мануэль Крамер в далеком 1964 году, а уже в 1977 году японская корпорация Hitachi поставила на конвейер усилители, базирующиеся на этом принципе.
При этом, схемотехника самих каскадов усиления повторяет принципы, заложенные в классе AB. Более того, подобно тому, как на малых уровнях громкости усилители класса AB работают в чистом классе A, так и усилители класса G работают с тихими сигналами как усилители класса AB. Отличие состоит в блоке питания, способном не только формировать несколько шин разной мощности, но и переключать их в зависимости от уровня входного сигнала. Таким образом, усилитель обеспечивает повышенную выходную мощность только в те моменты, когда это действительно необходимо. Причем, таких ступеней управления питанием (и мощностью) может быть несколько. Учитывая, что энергичные всплески в музыкальных произведениях происходят сравнительно редко, в среднем усилитель большее время работает на малой мощности.
Усилители класса G обеспечивают лучшую энергоэффективность, сохраняя классические принципы усиления, реализованные в классе AB. Да, усилительные модули, работающие в классе D, ещё более эффективны в этом отношении, но если вам по каким-то причинам они не подходят (к примеру, привычнее характер звучания классических каскадов усиления), то на аппараты, базирующиеся на классе G, стоит обратить самое пристальное внимание.
Классы усилителей звука
Наверняка многие слышали о том, что современные усилители могут относиться к разным классам. Однако люди, далекие от акустических систем и технических особенностей звуковой аппаратуры, вряд ли представляют, что скрывается за буквенными обозначениями.
В нашем обзоре мы подробнее расскажем о том, что такое классы усилителей, какими они бывают, и как подобрать оптимальную модель.
Классификация
Класс усилителя — это величина выходящего сигнала, при которой он в функциональной схеме на протяжении одного рабочего цикла приводится в действие синусоидальным входящим сигналом и в результате этого воздействия изменяется. Классификация усилителей по классам зависит от параметров линейности режима, используемого для усиления поступающих сигналов от категорий с повышенной точностью при довольно сниженной эффективности до абсолютно нелинейных. В этом случае точность звуковоспроизведения сигнала не столь велика, зато КПД довольно высок. Все остальные классы усилителей являются некими промежуточными моделями между этими двумя группами.
Первая группа
Все классы усилителей условно можно разделить на две подгруппы. К первой относятся классические управляемые модели классов A, B, а также AB и C. Их категория обусловлена параметром их проводимости на определенном участке выходного сигнала. Таким образом, работа встроенного транзистора на выходе располагается посредине между «выкл» и «вкл».
Вторая группа
Ко второй категории устройств относят более современные модели, которые считаются так называемыми переключающимися классами — это модели D, E, F, а также G, S, H и T.
Эти усилители применяют в работе широтно-импульсную модуляцию, а также цифровые схемы для беспрерывного переведения сигнала между «полностью выкл» и «полностью вкл». Как следствие, происходит мощный выход в районе насыщения.
Описание популярных классов
О разных классах усилителей мы поговорим более подробно.
Модели класса А получили наибольшее распространение благодаря простоте их конструкции. Это объясняется несколькими параметрами искажения входящего сигнала и, соответственно, высоким качеством звучания в сравнении со всеми остальными категориями усилительных установок. Модели, относящиеся к этой категории, характеризуются высокой линейностью по сравнению с прочими.
Обычно усилители класса А в своей работе используют единый вариант транзисторов. Его подключают к базовой конфигурации эмиттера для двух половин сигнала так, что германиевый транзистор неизменно идет сквозь него даже в том случае, если фазовый сигнал отсутствует. Это значит, что на выходе каскад не станет в полной мере проходить в область отсечки сигнала и насыщения. Он имеет собственную точку смещения примерно в центральной части линии нагрузки. Такое строение приводит к тому, что транзистор попросту не активируется — именно это считается одним из его базовых недостатков.
Чтобы устройство можно было классифицировать, как относящееся к этому классу, нулевой ток на холостом ходу в выходном каскаде должен равняться предельному току нагрузки либо даже превышать его — это позволяет обеспечить максимальный выходящий сигнал.
Поскольку устройства класса А относятся к однотактным и функционируют в линейной зоне всех заданных кривых, одно выходное устройство проходит через полные 360 градусов, в этом случае устройство категории А в полной мере соответствует источнику тока.
Поскольку усилители этой категории работают, как мы уже говорили, в ультралинейной области, то смещение постоянного тока должно быть установлено корректно — это позволит обеспечивать исправную работу и дает звуковой поток мощностью 24 Вт. Однако в связи с тем, что выходное устройство все время находится в отключенном состоянии, оно беспрерывно проводит ток, и это создает условия для постоянной потери мощности во всей конструкции. Такая особенность приводит к выделению большого объема тепла, при этом их КПД довольно низок — не превышает 40%, что делает их непрактичными, если речь идёт о каких-то мощных акустических системах. Помимо того, из-за повышенного тока холостого хода установки, блок питания должен иметь соответствующие габариты и быть максимально отфильтрован, в противном случае не избежать звучания усилителя и стороннего гула. Именно эти недостатки привели к тому, что производители вынуждены были продолжить работу над созданием усилителей более эффективной категории.
Усилители класса B были созданы производителями для решения проблем, связанных с низким КПД и повышенным уровнем перегрева, которые свойственны установкам предыдущей категории. В своей работе модели категории В применяют пару дополнительных транзисторов, как правило, биполярных. Их отличие в том, что для обеих половин сигнала выходной фронт построен по двухтактной схемотехнике, таким образом каждое транзисторное устройство дает усиление лишь наполовину выходного сигнала.
Базовый ток смещения уровня постоянного тока в усилителях этого класса отсутствует, поскольку ток его покоя равняется нулю, поэтому мощностные параметры постоянного тока обычно малы. Соответственно, и КПД его гораздо выше, нежели у устройств А. При этом когда сигнал принимает положительное значение, транзистор с положительным смещением ведет его, а отрицательный остаётся в выключенном состоянии. Аналогично в момент, когда входящий сигнал принимает отрицательное значение, положительный отключается, а отрицательно смещённый транзистор, наоборот, активируется и обеспечивает проведение отрицательной половины сигнала. В результате транзистор во время своей работы проводит 1/2 цикла только в положительном либо в отрицательном полупериоде поступающего сигнала.
Соответственно, всякое транзисторное устройство этой категории может проходить только через часть выходного сигнала, при этом в четком чередовании.
Такая двухтактная конструкция примерно на 45-60% эффективнее, нежели усилители класса А. Тем не менее проблемы с моделями этого типа заключаются в том, что они дают существенные искажения в момент прохождения аудиосигнала из-за «мертвой зоны» транзисторов в коридоре входных напряжений со значениями от -0,7 В до +0,7 В.
Как все знают из курса физики, базовый эмиттер должен давать напряжение около 0,7 В для того, чтобы биполярный транзистор начал полноценную проводку. Пока это напряжение не превысит эту отметку, выходной транзистор не сместится до положения включения. Это значит, что половина сигнала, которая пойдёт в коридор 0,7 В, начнет воспроизводиться неточно. Соответственно, это делает устройства категории B практически непригодными для применения в прецизионных акустических установках.
Для того чтобы преодолеть эти искажения и были созданы так называемые компромиссные устройства класса AB.
Эта модель представляет собой некий тандем конструкции категории А и категории B. В наше время усилители типа AB считаются одними из самых распространенных вариантов конструкций. По принципу своей работы они немного напоминают изделия категории В, с тем только исключением, что оба транзисторных устройства могут в одно и то же время проводить сигнал возле точки пересечения осциллограмм. Это в полной мере устраняет все проблемы искажения сигнала предыдущего усилителя группы В. Разница состоит в том, что пара транзисторов имеет довольно малое напряжение смещения, как правило, оно составляет от 5 до 10% от параметров тока покоя. В этом случае проводящее устройство остаётся включённым дольше, чем время одного полупериода, но в то же время – это гораздо меньше, нежели полный цикл входного сигнала.
Можно с полной уверенностью сказать, что устройство типа AB считается отличным компромиссом между моделями класса А и моделями класса В с позиции КПД и линейности, в то время как эффективность трансформации звукового сигнала составляет приблизительно 50%.
Конструкция установок, относящихся к классу C, обладает максимальной эффективностью, но при этом довольно плохой линейностью в сравнении со всеми остальными категориями. Усилитель C-класса довольно заметно смещен, поэтому входной ток принимает нулевое значение и держится на этой отметке на протяжении более 1/2 цикла поступающего сигнала. В это время транзистор пребывает в режиме ожидания его выключения.
Подобная форма смещения транзистора обеспечивает наибольшую эффективность устройства, его КПД составляет порядка 80%, но при этом она вносит довольно значительные звуковые искажения в исходящий сигнал.
Такие конструкционные особенности делают невозможным применение усилителей в акустических системах. Как правило, эти модели нашли свою сферу использования в высокочастотных генераторах, а также отдельных вариантах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, издаваемые на выходе, преобразуются в синусоидальные волны заданной частоты.
Усилитель категории D относится к двухканальным нелинейным импульсным моделям, их еще называют ШИМ-усилители.
В подавляющем большинстве аудиосистем выходные каскады функционируют в классах А либо АВ. В интегральных усилителях группы D мощность рассеивания линейных входов значительна даже в случае их максимально полной, практически идеальной реализации. Это дает моделям D-класса существенное преимущество в большинстве сфер применения вследствие минимального тепловыделения, снижения веса и габаритов устройства и, соответственно, пониженной стоимости изделий, притом что время автономной работы в таких моделях увеличено в сравнении с моделями других конструкций.
Как правило, это высоковольтные модели, они рассчитаны на плату в 10000 ватт.
Другие
Усилитель класса F. Эти модели обеспечивают повышенную эффективность, их КПД составляет порядка 90%.
Усилитель класса G. Этот усилитель, по сути, представляет собой усовершенствованную высоколинейную конструкцию базового устройства класса AB на ТДА. Модели, относящиеся к данной категории, могут выполнять автоматическое переключение между разными линиями питания в случае изменения параметров поступающего сигнала. Подобное переключение многократно уменьшает энергопотребление и, соответственно, уменьшает расход мощности, которые вызываются утратой тепла.
Усилитель класса I. Такие модели имеют пару комплектов дополнительных выходных приспособлений. Перед включением они располагаются в двухтактной конфигурации. Первое устройство выполняет переключение положительной части сигнала, а второе — отвечает за переключение отрицательной, подобно усилителям категории B. При отсутствии сигнала аудио на входе или в случае, если сигнал достигает нулевой точки пересечения, переключающий механизм включается и выключается в одно время с основным циклом.
Усилитель класса S. Данный класс усилителей относят к категории нелинейного механизма переключения. По механизму своей работы они в чем-то похожи на усилители категории D. Такой усилитель производит преобразование аналоговых входящих сигналов в цифровые, многократно усиливая их. Таким образом, чтобы повысить мощность на выходе, обычно цифровой сигнал переключающего устройства либо полностью включен, либо полностью выключен, поэтому КПД таких устройств может составлять 100%.
Усилитель класса T. Ещё один вариант цифрового усилителя. Сегодня такие модели набирают всё большую популярность из-за присутствия микросхем, позволяющих выполнять цифровую обработку поступающего сигнала, а также встроенных многоканальных усилителей 3D-звучания. Такой эффект обеспечивается конструкцией, позволяющей преобразовывать аналоговые сигналы в звуки повышенной ШИМ цифрового типа. Конструкция устройств класса C объединяет параметры сигнала с пониженной степенью искажений, подобного АВ категории, в то время как сохраняют КПД на уровне моделей класса D.
Как определить?
Для начала остановимся на том, как в принципе функционирует усилитель. Наверняка вы будете удивлены, но по факту заводской усилитель ничего не усиливает. По сути, механизм его работы напоминает работу самого простого крана: вы крутите ручку и вода из водопровода начинает литься, сильнее или слабее, а если ее закрутить — то поток будет перекрыт. В усилителях все процессы происходят таким же образом. От мощного модуля питания ток проходит сквозь подключенный к устройству динамик. В данном случае функцию крана берут на себя транзисторы — на выходе степенью их закрытия и открытия управляет сигнал, который проходит на усилитель. От того, как именно этот кран функционирует, то есть как действуют выходные транзисторы, и определяется класс усилителей.
Если мы говорим об устройствах АВ, то в них транзисторы могут иметь неприятное свойство открываться и закрываться непропорционально поступающим на них сигналам. Таким образом, их работа становится неизменной. Возвращаясь к аналогии с краном — вы можете поворачивать ручку краника, но вода сперва будет течь слабо, а затем вдруг поток внезапно усилится.
По этой причине транзисторы категории АВ приходится удерживать в приоткрытом состоянии даже в том случае, если сигнал отсутствует. Это необходимо для того, чтобы они начали работать сразу же, а не выжидали, пока сигнал дойдет до определённого уровня – только в этом случае усилитель сможет воспроизводить звук с минимальными искажениями. На практике это означает, что некоторая часть полезной энергии расходуется вхолостую. Только представьте, что вы откроете все водопроводные краны в квартире, и из них беспрерывно будет вытекать небольшая струйка воды. Как следствие, эффективность таких моделей не превышает 50-70%, именно низкий КПД и является главным минусом усилителей АВ класса.
Если говорить об устройствах D-класса, то принцип работы у них абсолютно такой же: они имеют свои выходные транзисторы, способные закрываться и открываться. Тем самым регулируется прохождение тока сквозь подведенные к ним динамики, вот только управляет их открытием уже сигнал, по своей конфигурации весьма далекий от входящего.
Именно так подается сигнал на выходные транзисторы устройств D-класса. В данном случае функционировать они станут совсем иначе: либо в полном объеме закрываться, либо открываться без каких-либо промежуточных значений. Это означает, что КПД таких моделей может быть приближен к 100%.
Конечно, передавать подобные сигналы на аудиосистемы рано, сперва ему следует вернуть стандартную конфигурацию. Это можно сделать посредством выходного дросселя, а также конденсатора — после их обработки на выходе формируется усиленный сигнал, который по своей форме полностью повторяет входящий. Именно он и передается на динамики.
Основное преимущество устройств D-класса – это повышенный КПД и, соответственно, более щадящее расходование энергии
Долгое время было принято считать, что для подключения качественных акустических установок оптимальным решением станут усилители АВ. Модели категории D давали преобразование поступающего сигнала в импульсный с пониженной частотой, в итоге он давал хорошее звучание только в сабвуферном режиме. В наши дни технологии сделали большой шаг вперед, и сегодня появились уже быстродействующие транзисторы, которые могут открываться, а также и закрываться почти моментально, в магазинах представлено довольно много широкополосных устройств D-класса.
Эти модели предназначены на применение не только с сабвуферами, но также и с современными акустическими системами любых типов. Для тех вариантов, когда высокой мощности не требуется, имеет смысл приобрести довольно компактный усилитель.
Таким образом, если для подключения АС у вас достаточно площади, то вы вполне можете подобрать модель АВ-класса. За несколько десятилетий существования схемотехника этих моделей хорошо отработана, они дают довольно хорошее качество звучания, а в случае их поломки вы можете без проблем отремонтировать их в ближайшем сервисном центре.
Если участок для звуковой инсталляции ограничен, то стоит присмотреться к широкополосным моделям группы D. При тех же мощностных параметрах, что и изделия АВ-класса, они гораздо меньше и легче, притом меньше греются, и некоторые модели позволяют даже устанавливать их скрытно с наименьшими вмешательствами.
Для подключения сабвуферов максимальное преимущество у установок D-класса, так как темброблок басов представляет собой наиболее энергозатратный частотный диапазон — в данном случае КПД изделия имеют принципиальное значение, а в этом конкурентов изделиям D класса попросту нет.
В данном видео вы сможете нагляднее ознакомиться с классами усилителей звука.