Классы усилителей A, B, C, D, G, H

• Введение
• Требования к УНЧ
• Виды усилителей
• Класс А
• Класс B
• Класс AB
• Класс D
• Классы G и H

Введение

Каждому режиму свойственны свои преимущества и недостатки, ниже приведены принципы работы усилителей при разных режимах.

Класс A исторически самый первый, но вследствие ряда недостатков в современных экономичных усилителях не используется, исключая лишь рассчитанные на запросы аудиофилов высококачественные Hi-End усилители. Основной недостаток усилителей этого класса – потребление энергии в отсутствие полезного сигнала, что существенно снижает коэффициент полезного действия (КПД) данного режима (не выше 25%). К несомненным преимуществам класса A относится точная верность воспроизведения усиливаемого сигнала (низкие нелинейные искажения).

Класс B в предназначенной для домашнего использования радиоаппаратуре не используется, наиболее распространен в стереоусилителях и ресиверах класс AB, по режиму работы выходного каскада промежуточный между классами A и B.  

Класс C в аудиоустройствах также не используется.

Класс D, ранее считавшийся неприемлемым для высококачественных усилителей, становится все более популярным вследствие высокого КПД усилителей данного класса (до 90%). Эти усилители практически не потребляют энергии в отсутствие сигнала (в паузах и при малой громкости), они выделяют мало тепла и вследствие этого компактны по размерам, их усилительные элементы не нуждаются в громоздких радиаторах. В режиме класса D работает большинство профессиональных устройств, а также домашняя аппаратура и портативные устройства. D не означает digital (цифровой), это лишь выбранная буква, следующая по порядку за буквой C.

Классы усиления G и H являются вариантами класса AB.

Требования к УНЧ

Сигнал с выхода усилителя мощности подается на акустическую систему (АС), из одного или нескольких громкоговорителей, возможно с наличием реактивных элементов (катушек индуктивности и конденсаторов) для разделения полос. Чтобы АС развивала необходимое для озвучивания помещения или открытой площадки звуковое давление, на нее необходимо подать электрический сигнал звуковой частоты (в широком диапазоне частот, для усилителей высокого качества в пределах 20 Гц – 50 кГц, с низкими нелинейными искажениями) достаточной мощности. Поскольку АС обладает определенным электрическим сопротивлением (значения полных сопротивлений АС, или импеданса, обычно стандартизованы, для возможности согласования АС  с различными усилителями, и подключения к УНЧ различных АС), выход усилителя должен обеспечивать напряжение низкой частоты (НЧ) необходимой величины, от нескольких вольт (в маломощной аппаратуре) до десятков вольт (в мощных усилителях).

Импеданс АС обычно составляет 4 или 8 Ом, и усилитель мощностью 100 Вт должен развивать на выходе напряжение порядка 20-30 В, с пиковым значением до 40 В, а с учетом потерь и все 50 В. Ток в нагрузке при этом достигает значения 5 А, а пиковое значение тока может достигать 12 А.

Подобный режим работы, при недостаточно высоком КПД оконечного каскада УНЧ, приводит к выделению в усилителе большого количества тепла, требует применения мощного источника питания с тяжелым и габаритным силовым трансформатором.  

Насущным становится повышение КПД усилителя НЧ, поскольку это прямая экономия денег и электроэнергии. Режим работы (класс усиления) оконечного каскада УНЧ выбирается в зависимости от совокупности желаемых и допустимых характеристик аппаратуры в данных условиях применения.

Виды усилителей

В мире аудиоэлектроники существует множество устройств, спроектированных для улучшения и усиления звука. Среди них выделяются различные типы усилителей, каждый из которых выполняет свою уникальную роль в формировании качественного звучания в аудиосистемах. В данной статье мы рассмотрим четыре основных вида усилителей: полные, интегральные, интегрированные и усилители мощности. Каждый из них обладает своими характеристиками и предназначением, создавая разнообразные возможности для аудиофилов и любителей музыки. Давайте глубже погрузимся в мир усилителей и разберемся, какой из них может лучше соответствовать вашим потребностям в воспроизведении звука.

Полные усилители (Pre-amplifiers):

Интегральные усилители (Integrated Amplifiers):

Интегрированные усилители (Integrated Circuits):

Усилители мощности (Power Amplifiers):

Каждый из этих типов усилителей выполняет свою уникальную функцию в аудиосистеме, и выбор зависит от требований конкретной ситуации и предпочтений пользователя.

Класс А

Схема оконечного каскада класса  A – самая простая, поскольку требуется всего один усилительный элемент (электронная лампа или полупроводниковый транзистор). Через усилительный элемент всегда проходит ток (ток покоя), вне зависимости от наличия или отсутствия сигнала на входе, чем и объясняется неэффективность его работы. Достоинство режима – рабочая точка усилительного элемента всегда выбирается на прямолинейном участке его вольтамперной характеристики (по возможности в середине этого участка), что гарантирует минимум т.н. нелинейных искажений (на слух проявляющихся как неприятное на слух искажение сигнала). Этот режим идеален для входных и промежуточных каскадов усиления, предусилителей, но нежелателен для мощных оконечных каскадов.

Но истинные аудиофилы готовы мириться с недостатками данного режима, с его низким (порядка 15-35%) КПД, ввиду высокого качества воспроизведения сигнала, и класс A считается золотым стандартом для производства аппаратуры высокого качества. Примерами подобных УНЧ являются двухтактные усилители Krell, Sugden и пр. с использованием на выходе транзисторов разных полярностей. При работе подобных усилителей мощностью порядка 100 Вт на АС с импедансом 8 Ом выходной каскад требует напряжения питания не менее +/- 40 В, ток покоя составляет порядка 2,5 А, а рассеиваемая тепловая мощность превышает 200 Вт.

Класс B

В двухтактных усилителях класса B каждый из двух выходных элементов усиливает только одну полярность синусоиды входного сигнала, а в отсутствие сигнала ток покоя выходного каскада близок к нулю. В современных полупроводниковых усилителях выходной каскад класса  B собран на 2 транзисторах противоположных типов проводимости (n-p-n и p-n-p), с усилением каждым из транзисторов своей половины синусоиды, положительной или отрицательной полярности.

В области перехода сигнала через 0 один из транзисторов перестает проводить, передавая эстафету другому, при этом возникают специфичные именно для данного режима искажения, называемые кроссоверными, к которым ухо очень чувствительно, оттого режим класса B в чистом виде в аппаратуре высокого качества не применяется.   

Класс AB

Данный режим является промежуточным между режимами классов A и B, с промежуточными характеристиками – КПД выше, чем КПД усилителей класса A, а нелинейные искажения ниже, чем искажения, присущие классу B. Достигается это за счет того, что рабочая точка усилительных элементов выходного каскада выбирается отличной от нулевого тока, в отсутствие сигнала через них протекает т.н. ток смещения, что минимизирует кроссоверные искажения.

Для выбранного нами в качестве примера УНЧ мощностью 100 Вт ток смещения выбирается порядка 50 мА, и при напряжении питания +/- 40 В потребляемая в режиме покоя мощность составит всего 4 Вт, в то время как усилитель класса A потреблял бы в 50 раз больше. Неудивительно, что подавляющая доля коммерческих УНЧ относятся к данному классу.

Но усилители данного класса отличаются дороговизной, и не рассчитываются на отдачу очень большой мощности (предел обычно 20-50 Вт). Рабочая точка транзисторов при даже оптимальном выборе тока смещения со временем и под влиянием температуры изменяется, что увеличивает кроссоверные искажения. Снизить их до приемлемого уровня удается охватом усилителя цепями положительной и отрицательной обратных связей, при этом при малых уровнях входного сигнала (при выходной мощности не выше 10 Вт) режим работы выходного каскада приближается к режиму работы A.

Класс D

Усилители данного класса иногда неверно называются цифровыми усилителями, но по факту усилитель остается аналоговым. Выходные каскады УНЧ данного класса построены обычно на МОП-транзисторах (полевых). Другое название режима усиления –широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Сигнал на выходе УНЧ (до фильтра НЧ) – это серия прямоугольных импульсов одинаковой высоты (определяется напряжением на выходе блока питания), но переменной ширины (определяемой уровнем входного сигнала), т.е. входной звуковой сигнал задает время включения/выключения транзисторов.

Частота импульсов выбирается достаточно высокой, гораздо выше самой верхней частоты входного (воспроизводимого) сигнала. Промодулированные сигналом на входе импульсы подаются на фильтр НЧ, подавляющий верхние частоты и гармоники, и пропускающий низкие, в итоге после фильтра входной сигнал восстанавливается с высокой верностью.

Ввиду ключевого режима работы усилительных элементов выходного каскада (близко к нулю либо напряжение на коллекторе транзисторе, либо ток через него, соответственно в открытом или запертом состоянии), КПД каскада весьма высок (достигает 80-90%). В отсуствие сигнала УНЧ класса D потребляет ток аналогично каскаду, работающему в режиме AB. УНЧ этого класса свойственны и недостатки: высокая частота переключения является источником помех, а выходной фильтр НЧ удорожает конструкцию. Как результат, качество звуковоспроизведения УНЧ этого класса обычно ниже качества звуковоспроизведения УНЧ класса AB.

Среди УНЧ данного класса встречаются усилители с аналоговым и дискретным управлением, при этом УНЧ с аналоговым управлением обладают более высокой производительностью, у них ниже выходное сопротивление и вносимые искажения. Вызвано это тем, что при аналоговом управлении возможные ошибки корректируются цепями обратной связи, а при цифровом управлении контроль ошибок отсутствует.

Выходной фильтр НЧ работающего в режиме D УНЧ обычно представляет собой LC-фильтр с индуктивностями и конденсаторами, включаемыми между выходом УНЧ и АС. Сигнал отрицательной обратной связи, подаваемый на вход усилителя, обычно снимается после фильтра НЧ что позволяет снизить зависимость характеристик усилителя (полного выходного сопротивления и амплитудно-частотной характеристики) от меняющегося с частотой полного сопротивления АС, т.е. при его работе не на активное сопротивление, а на реальную нагрузку.

УНЧ класса D также свойственен меньший вес, чем УНЧ прочих классов, поскольку частично снимается проблема отвода выделяемого избыточного тепла. Нередко УНЧ данного класса питаются от импульсных регулируемых источников питания, что дополнительно повышает КПД усилителя и снижает вес и габариты силового блока в сравнении с традиционными источниками питания на силовых трансформаторах. Недостатком импульсных источников питания является меньший динамический запас по мощности, но они со временем приобретают все большее распространение.

Классы G и H

Эти два класса усиления официального признания еще не получили, от самых распространенных УНЧ класса AB эти 2 класса отличаются тем, что для получения более высокого КПД напряжение питания выходного каскада регулируется в зависимости от напряжения сигнала. Поскольку УНЧ при воспроизведении звукового сигнала редко работает с максимальной мощностью на выходе, что определяется динамическим диапазоном сигнала, появляется возможность при воспроизведении тихой речи или музыки снижать напряжение питания (подавать вместо +/- 40 В всего +/- 20В), что снижает выработку тепла и повышает КПД. Затраты на усложнение источника питания будут скомпенсированы экономией энергии и меньшими габаритами силового блока.

В усилителях класса H напряжение питания меняется плавно, а в классе G оно меняется ступенчато (обычно переключением обмоток силового трансформатора). Образно говоря, напряжение питания УНЧ модулируется входным сигналом. Усилители класса H обычно применяются в качестве сценического оборудования (в профессиональных туровых АС).

Для переключения шин источника питания (т.е. регулирования напряжения питания) ранее применялись биполярные транзисторы, в последнее время применяются мощные полевые МОП-транзисторы, что повышает коэффициент полезного дейсвтия, уменьшает бесполезно рассеиваемую мощность и упрощает схемное решение. Другое преимущество УНЧ режимов G и H – меньшие габариты вследствие снижения теплопотерь и отсутствия необходимости в большеразмерных и тяжелых радиаторах.