МЕХЗАВОД|Ремонт бытовой техники и электроники cвоими руками |
Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.
Вы здесь » МЕХЗАВОД|Ремонт бытовой техники и электроники cвоими руками » Звуковоспроизводящие устройства » Классы усиления мощных усилительных каскадов
Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления:
Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах.
Усилители класса А
Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.
Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.
Усилители класса B
Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D. 
Усилители класса AB
Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.
Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.
Усилители класса С, H, G
Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.
В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.
Усилители класса D
В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.
Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.
На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.
Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами. 
Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.
Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать. 
Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.
В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.
Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.
В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:
В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).
Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.
Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.
Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.
Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.
А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:
Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.
Заключение
Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.
Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.
Отредактировано somoveu (24.10.2021 18:12:22)
Класс H
Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. 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. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.
Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.
Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя. КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.
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.
Вы здесь » МЕХЗАВОД|Ремонт бытовой техники и электроники cвоими руками » Звуковоспроизводящие устройства » Классы усиления мощных усилительных каскадов
