Содержание

Усилители. Классификация усилителей

Усилители в каталоге

 

Классификация усилителей

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

  1. Аналоговые, класс А
  2. Аналоговые, класс В
  3. Аналоговые, класс АВ
  4. Аналоговые, класс H
  5. Импульсные и цифровые, класс D

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».

Класс А

Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов.

Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Характеристики Pass Labs XA 200.5 Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность 200 Вт 25Вт
Коэффициент гармонических искажений 1% (400Вт) не указывается
Диапазон воспроизводимых частот 1.5 – 100000 Гц 20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность 700 Вт 500 Вт
Масса 81 кг 25 кг


Представитель усилителей класса А

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В – это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.

Класс АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.


Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.


Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

 

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:
Характеристики A B AB
Теоретический КПД 50% 78% Зависит от режима
Реальный КПД 15-30% 50-60% 40-50%
Нелинейные искажения малые Высокие средние)
Потребляемая мощность постоянная зависит от выходной зависит от выходной
Термостабильность низкая высокая средняя



Представитель усилителей класса АВ

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%.

Класс D

Строго говоря, класс D – это не только схема построения или режим работы выходного каскада – это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.


Блок схема цифрового усилителя

Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM – Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.

В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность (“ширина”) изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме.

Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.


График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом.

Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность – с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток – зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах. Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.

Такие усилители применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.


Представитель усилителей класса D

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла • Stereo.ru

У всего есть свое начало, и, если мы говорим о режимах работы усилителя, у истоков стоит конечно же класс А. Именно с него началась история усилителей в частности и электронного аудио в целом. Все, что было до — к электронике, да и вообще к электричеству отношения не имеет, а все что появилось после проще всего понять, зная как работают усилители класса А. Ну и самый удивительный факт: при том, что данная схемотехника уже успела справить свой столетний юбилей, она по-прежнему востребована и конкурирует на равных с самыми совершенными схемотехническими решениями XXI века.

Принцип работы

В далеком 1916 году шведский ученый Эрнст Александерсон, работавший в американской компании General Electric, получил патент на схему усилителя, которая известна всему миру как класс А. Принцип действия усилителя класса А предельно прост, а для создания усилителя такого типа достаточно одного транзистора или одной лампы. Для того, чтобы понять, как он работает, рассмотрим более классическое решение: лампу.

Непосредственно в процессе усиления звукового сигнала в радиолампе участвуют три конструктивных элемента: анод, катод и сетка. При подаче питания в схему между катодом и анодом возникает поток электронов, а сетка, располагающаяся между ними, выполняет роль регулирующего клапана.

При наличии на сетке электрического потенциала она препятствует свободному прохождению электронов, и, чем выше электрический потенциал на сетке, тем меньше электронов проходит от катода к аноду вплоть до полного закрытия лампы. Таким образом, включив полезную нагрузку (акустическую систему) между катодом и анодом и подав сигнал на управляющую сетку, мы получаем простейшую схему усилителя мощности.

Специфика усилителя, работающего с аудиосигналом, состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной составляющими, равными по амплитуде.

При подаче такого сигнала на вход усилителя произойдет следующее: в момент прохождения положительной полуволны лампа будет открываться и закрываться так, что сигнал на выходе будет повторять форму звуковой волны на входе. Но в тот момент, когда на вход поступит отрицательная часть полуволны, сетка уже будет полностью заперта, и вместо воспроизведения звука на выходе усилителя мы получим тишину.

Несмотря на то, что в статье мы говорим преимущественно о ламповом классе А, транзисторы так же способны работать соответствующим образом, и на картинке выше вы видите стандартную схему

Для того, чтобы дать лампе возможность воспроизводить обе половины сигнала, Эрнст Александерсон организовал смещение нулевой точки входящего сигнала относительно нулевой точки (полностью закрытого состояния) лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. Таким образом, среднее положение звуковой волны соответствовало полуоткрытому состоянию лампы.

В момент прохождения положительной полуволны входящего сигнала лампа открывалась еще сильнее, а при воспроизведении отрицательной полуволны закрывалась, но частично, не доходя до минимальной отметки.

Плюсы

На первый взгляд, схема довольно симпатична и имеет целый ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она проста, лаконична и является отличным примером предельно короткого звукового тракта. Во-вторых, лампа или транзистор, работающие в классе А, постоянно находятся в рабочем состоянии и мгновенно реагируют на изменения входящего сигнала — у них нет временных задержек, возникающих в момент выхода из полностью закрытого состояния.

В-третьих, середина рабочего диапазона электронного компонента — это та зона, в которой он работает максимально эффективно и без искажений. Значит, если не увеличивать амплитуду до предельных значений (не выкручивать особенно сильно ручку громкости и не подключать к усилителю тяжелую нагрузку), усилитель будет работать исключительно в комфортном режиме, и сигнал на выходе будет иметь практически идеальный вид.

К сожалению, все эти плюсы без побочных эффектов можно реализовать только в слаботочных цепях предварительного усилителя. А когда речь заходит о работе на мощностях, необходимых для взаимодействия с акустическими системами, класс А проявляет свои не менее очевидные минусы.

Минусы

Главные минусы класса А так же, как и плюсы, вытекают из выбранного создателем принципа работы. Нулевой уровень входного сигнала приходится на середину рабочего диапазона электронного компонента, а это значит, что, когда на входе тишина — транзистор или лампа уже открыты наполовину и работают вполовину своей мощности, расходуя вхолостую много энергии. Реальный же КПД усилителей класса А оказывается существенно ниже теоретических 50%. Из 100% энергии, потребляемой усилителем, акустика получает не более 20–25%, а вся остальная энергия преобразуется в тепло.

Повышение рабочей температуры может негативно сказываться на режиме работы усиливающего элемента, поэтому транзисторные усилители класса А, выдающие хоть сколько-нибудь существенную мощность, обладают огромными радиаторами.

Если же вы хотите получить на выходе не десятки, а сотни ватт мощности, сохранив при этом режим работы усилителя в классе А, готовьте комнату побольше и вентиляцию для отвода тепла помощнее, ведь вследствие низкого КПД сам усилитель будет огромным, а его блок питания и вовсе колоссальным.

За всем этим следует целый ряд сопутствующих проблем. Прежде чем счастливый обладатель усилителя класса А получит свой первый огромный счет за электричество, ему придется потратить немало денег на сам усилитель, ведь большие блоки питания, тяжелые выходные трансформаторы ламповых и массивные радиаторы транзисторных усилителей сами по себе стоят денег.

В ходе эксплуатации вслед за увеличившимися расходами на электроэнергию аудиофил рано или поздно столкнется с еще одной проблемой усилителей класса А — повышенным износом активных элементов схемы. Особенно эта проблема касается ламп. Работая в классе А, они постоянно находятся под большой нагрузкой, что сокращает их и без того малый ресурс работы.

Особенности

Понимая как работает усилитель в классе А, мы можем рассмотреть его и с аудиофильской точки зрения. Ситуация с искажениями на малых уровнях громкости вполне понятна: пока амплитуда сигнала не высока, усилитель работает в идеальных условиях и обеспечивает на выходе если не абсолютно совершенный сигнал, то что-то к нему максимально приближенное. Но возникает вопрос: что же происходит когда мы делаем музыку погромче?

До определенного момента — ничего страшного, но, как только пики сигнала приближаются к пороговым значениям (максимально открытому и закрытому состоянию лампы или транзистора), искажения будут расти существенно, как и у любого другого усилителя, после чего произойдет компрессия с выходом искажений за все мыслимые границы нормы.

Кто-то заметит, что любой усилитель можно перегрузить и загнать в искажения. Это справедливо. Но тонкость момента состоит в том, что усилители класса А по определению маломощны, а значит довести их до предельной нагрузки не составляет труда. Именно это происходит в те моменты, когда усилитель, только что воспроизводивший тихую камерную музыку с невероятным уровнем детализации, вдруг сваливает в неразборчивую кашу более громкое звучание симфонического оркестра.

Следующая специфическая особенность схемотехники касается блока питания. Это, кстати, один из важнейших компонентов любого усилителя, ведь энергия поступающая в акустику — это энергия блока питания, модулированная входящим сигналом. Выражаясь в более понятной автомобильной терминологии, блок питания — двигатель, а схема усилителя — руль.

Так вот, низкий КПД усилителя класса А и высокий ток покоя загоняет блок питания в довольно сложные условия: он должен иметь солидный запас мощности, чтобы, выдавая постоянно высокий ток, быть готовым мгновенно отдать в разы больше. После резкого всплеска сигнала конденсаторам блока питания необходимо зарядиться, т. е. взять дополнительную энергию от трансформатора, который и без того постоянно озадачен тем, чтобы поддерживать высокий ток покоя усилителя.

Далеко не все блоки питания способны справиться с такой задачей без побочных эффектов, поэтому, если звучание мощного усилителя, работающего в классе А, кажется вам медлительным, быстрая музыка смазывается, а бас получается неизменно гулким и размазанным во времени, — не удивляйтесь и не спешите обвинять в этом акустику или ее неудачное расположение в помещении.

Практика

Несмотря на все недостатки и технические особенности, усилители класса А по-прежнему производятся разными производителями и образуют весьма заметную нишу на рынке Hi-Fi техники, а если быть точным — в сегменте High End, где габаритами, энергопотреблением, сложностью эксплуатации и даже ценой можно пренебречь в угоду его величеству звуку.

Кроме того, с 1916 года и по настоящий момент времени на свет родилось немало талантливых инженеров, которые нашли способы существенно компенсировать вышеупомянутые проблемы.

Отличным примером вышесказанному является ламповый усилитель Octave V 16 Single Ended. Слова Single Ended в названии переводятся как «однотактный», что является техническим описанием режима работы ламп и, фактически, выступает синонимом понятия «класс А».

Для того, чтобы взбодрить классическую схемотехнику и приблизить эксплуатационные характеристики усилителя к современным реалиям, разработчики Octave воплотили в жизнь сразу несколько оригинальных решений, корректирующих режим работы. Адаптивная трехступенчатая настройка режима работы усилителя управляет величиной тока смещения сообразно максимальной амплитуде входящего сигнала, чтобы не держать схему усилителя в режиме высокого энергопотребления без необходимости.

А когда сигнал на входе отсутствует более двух минут, включается режим Ecomode, который понижает энергопотребление до 35%. Таким образом, усилитель, оставленный без присмотра, не будет без толку греть помещение.

За качество звучания разработчики боролись не меньше, чем за энергоэффективность, поэтому использовали высокотехнологичные трансформаторы с компенсацией магнитного поля, усовершенствованные каскады предварительного усиления, расширяющие диапазон воспроизводимых частот, а также самые совершенные схемы стабилизации, избавляющие от шумов и гула, которые усилители класса А с удовольствием демонстрируют даже при небольшом отклонении от рабочих параметров.

В результате, усилитель можно использовать с совершенно различной нагрузкой: от низкоимпедансной акустики до высокоимпедансных наушников, — не боясь вывести их из строя или просто выйти за пределы рабочего режима. Следящие электронные схемы перенастраивают выходные каскады автоматически.

Читая это, самое время вдохновиться и решить, что абсолютно все проблемы уже решены современными инженерами. Но не спешите, ведь нужно заглянуть в паспортные данные. А там картина вырисовывается крайне специфическая. При низких показателях шумов и искажения, имея без малого два десятка килограмм живого веса и потребляя от сети до 200 Вт, Octave V16 Single Ended выдает на акустике импедансом 4 Ом не более 8 Вт на канал при использовании самых мощных ламп. Для наушников этого вполне хватит, но где искать подходящие колонки?

Звук

Поскольку данный текст является частью большого цикла публикаций, посвященного различным типам усилителей, в процессе его подготовки было проведено одно большое сравнительное прослушивание, в котором участвовали усилители различных классов. Для придания прослушиванию достаточной степени объективности было выбрано две модели напольных колонок.

Одна из них была заведомо тяжелой нагрузкой с низкой чувствительностью — крупным тугим басовиком, и требовала высокой подводимой мощности. Вторая же была призвана стать обратной стороной медали: предельно легкой нагрузкой, способной сработаться с любым, даже маломощным усилителем. И во всех случаях эта схема тестирования была вполне рабочей до того момента пока на сцене не появился Octave V16 Single Ended с его 8 Вт на канал.

На тяжелой нагрузке искажения были столь реальны, что их, казалось, можно было потрогать, а нагрузка, ранее известная как легкая, успешно справилась с ролью тяжелой. За неимением под рукой еще одной пары колонок мощностью в несколько ватт и с чувствительностью выше 100 дБ роль легкой нагрузки выполнили наушники.

С колонками, которым по паспорту требуется не менее 25 Вт, Octave V16 Single Ended сработался на удивление неплохо. Если не злоупотреблять громкостью, можно в полной мере оценить живой, открытый и чистый звук, который на спокойных аудиофильских записях просто превосходен.

Ситуация осложняется, когда дело доходит до более динамичной музыки, а на рок-композициях усилитель с удовольствием сваливает звучание гитар в кашу, давая в качестве бонуса вполне различимую на слух компрессию. Спасает лишь тот факт, что компрессия и искажения в исполнении ламп в отличие от транзисторов придает звучанию довольно приятную окрашенность.

Если же попытаться уменьшить нагрузку на усилитель, понизить громкость, а затем подсесть поближе, чтобы не потерять в звуковом давлении — картина исправляется. И грязи нет, и деталей больше, и компрессия не ощущается. Здесь я замечу, что по габаритам этот усилитель совсем небольшой, его можно поставить не только в стойку, но даже на стол, для использования с наушниками и полочными мониторами ближнего поля.

В полной мере прочувствовать принадлежность усилителя к категории High End удалось в наушниках. Совершенно сумасшедшая детальность, открытое, объемное и тембрально богатое звучание, управляемый и четкий бас — все то, о чем можно мечтать. И, что характерно, даже на быстрой тяжелой музыке усилитель начал вести себя достойно. Никакой вальяжности, никакой каши, никакой гулкости в НЧ-диапазоне. Вот что значит — обеспечить усилителю класса А оптимальный режим работы.

Выводы

Усилитель класса А имеет немало плюсов. Проще говоря — его есть, за что любить. Но в современном мире он занимает особое место. Это тот краеугольный камень, вокруг которого придется выстраивать всю остальную систему и под который, в некотором смысле, даже придется подстраивать свой образ жизни.

В первую очередь, речь идет, конечно, о правильном подборе акустики. Тут самое время вспомнить о рупорной акустике с её высокой чувствительностью, да и о винтаже задуматься не грех. Все же в прошлом у разработчиков было больше понимания, как обеспечить много звука, имея на руках маломощные усилители. Ну и при всем вышесказанном надо понимать, что система неизбежно получится жанровой. Бороться с этим фактом бессмысленно, убеждать себя в обратном глупо. Остается просто получать от этого удовольствие.

Если же мы говорим о применении схемотехники класса А в схемах предусилителя или в усилителях для наушников — ситуация в корне меняется. Там, где от усилителя не требуется выделения высокой мощности, класс А показывает исключительно свои положительные стороны, не пытается заставить пользователя жить по своим правилам и не демонстрирует каких-либо жанровых пристрастий.

Простой усилитель класса А – Усилители на транзисторах – Звуковоспроизведение

 

Николай Трошин

Данная статья является продолжением работы на тему использования усилителей работающих в А классе для высококачественного звуко-усиления. 
Представляю на Ваше рассмотрение, хорошо отработанную схему усилителя на кремниевых транзисторах.
Неоспоримым преимуществом кремния – является способность работать при гораздо более высоких температурах (по сравнению с германием). При хорошем тепловом контакте транзистора с радиатором, можно считать допустимой температуру радиатора 90…95 град. 

 

Понятно, что при столь высокой разнице температур радиатора и окружающей среды, теплообмен происходит очень эффективно.
Поэтому при одинаковых площадях радиаторов выходных транзисторов, на кремнии можно получить примерно в 2 раза больше мощности по сравнению с германием. 
Большой ассортимент  кремниевых средне и высокочастотных транзисторов большой мощности, позволяет построить высококачественный усилитель  А класса при совсем простой схеме.

Данная схема обеспечивает выходную мощность 20 ватт на нагрузке 4 ом. Диапазон рабочих частот усилителя 20…25000 Гц.
В качестве транзистора VT1 здесь можно использовать КТ208Д, КТ209Д, КТ361Г, Е, КТ3107Б, Г, И, К. В качестве транзистора VT2 можно использовать транзисторы КТ815, КТ801, П701, транзистор VT3 КТ814, VT4 – КТ818БМ, ГМ, транзистор VT5 – КТ819БМ, ГМ.
Схема может работать без подбора транзисторов по коэффициенту усиления, однако поскольку она содержит всего 2 каскада усиления, желательно иметь коэффициент усиления транзистора VT1 – не менее 150, транзисторов VT2, VT5 – не менее 50, транзистора VT4 – не менее 80.
Оценить коэффициент усиления транзистора не сложно. Достаточно включить испытуемый транзистор по вот такой схеме (для мощных транзисторов).

Резистор R1 обеспечивает ток в базу примерно 1 ма. Измерительный миллиамперметр измеряет ток коллектора (я использовал стрелочный тестер с пределом измерений 300 ма). Отношение тока коллектора к базовому току – будет коэффициентом усиления транзистора.
Для транзисторов средней мощности, надо уменьшить базовый ток в 10 раз (R1 36k), а для транзистора малой мощности, базовый ток уменьшаем в 100 раз (R1 360k). В качестве источника питания, я использовал 3 щелочные (алкалиновые) батарейки размера АА, которые просто спаял между собой хорошо разогретым паяльником, с использованием не толстого провода (паять надо быстро, чтобы не перегреть батарейку).

При использовании нагрузки 8 ом, напряжение питания нужно увеличить до 39…40 вольт, резистор R10 до 0,25 Ом.
Настройка усилителя сводится к установке половины напряжения питания на коллекторе VT5.
Усилитель потребляет значительную мощность, примерно 100 ватт на каждый канал. Поэтому источник питания должен быть серьезным.
Силовой трансформатор для блока питания, нужно применять мощностью не менее 250 ватт, либо использовать два однотипных трансформатора (на каждый канал) с такой же общей мощностью.
Схема источника питания показана на рисунке ниже.

Вторичная обмотка силового трансформатора должна иметь выходное напряжение ХХ 26 – 27 вольт. Такая схема должна быть на каждый канал усилителя, причем при нагрузке 4 ом, возможно лучше сразу поставить конденсаторы по 22000 мкФ.
Диодный мост с номинальным током не менее 10 А либо 4 диода на 10 А. Большая емкость конденсаторов объясняется значительным током потребления, в том числе и в режиме покоя усилителя, когда пульсации особенно заметны.
Применять электронные фильтры или стабилизаторы я не стал, поскольку они иногда являются причиной самовозбуждения усилителя и источником помех и наводок.

Детали для усилителя:
Резисторы могут быть любой мощности не менее 0.125 ватт за исключением R9 5 ватт, R10 2 ватт. Очень важен номинал резистора R10. От этого зависит правильный режим работы усилителя.
Конденсатор С1 лучше поставить пленочный, С4 пленочный или слюдяной.
Выходные транзисторы КТ818, КТ819 обязательно с буквой “М” в конце (в металлическом корпусе), БМ, ГМ. Радиаторы под них я использовал ребристые размером 120*170, толщиной 35 мм. Если радиаторы будут меньше, то необходим принудительный обдув.
На КТ815 небольшой радиатор-пластинка 2-3 кв. см. На П701 радиатор не нужен.
На резисторе R9 рассеивается значительная мощность. При наличии осциллографа и генератора можно попробовать ее уменьшить. Подаем сигнал на вход,на выход подключаем эквивалент нагрузки и осциллограф. Резистором R4 добиваемся симметричного ограничения максимально возможной амплитуды сигнала. Далее увеличивая резистор R9 добиваемся начала ограничения сигнала сверху. Выпаиваем и измеряем номинал. После этого устанавливаем резистор на 25…30% меньше.
При желании поэкспериментировать можно собрать совсем упрощенную схему.

Транзисторы здесь должны иметь больший К ус. Первый не менее 200, второй не менее 100.
Резистор R7 мощностью не менее 50 ватт. При отсутствии такого можно использовать электрический чайник и утюг по 2000 ватт на220в, соединенные параллельно, либо 2 ТЭН на 2000 ватт. – получается сопротивление около 10 ом. Кстати это можно использовать и как эквивалент нагрузки.
Данная схема позволяет получить 4…5 ватт (потреблять будет все равно около 90 ватт.) На коллекторе VT2 нужно выставить 12 вольт.

Удачи Вам в творчестве и конструировании!

   

Транзисторный усилитель класса А своими руками / Хабр

На Хабре уже были публикации о DIY-ламповых усилителях, которые было очень интересно читать. Спору нет, звук у них чудесный, но для повседневного использования проще использовать устройство на транзисторах. Транзисторы удобнее, поскольку не требуют прогрева перед работой и долговечнее. Да и не каждый рискнёт начинать ламповую сагу с анодными потенциалами под 400 В, а трансформаторы под транзисторные пару десятков вольт намного безопаснее и просто доступнее.

В качестве схемы для воспроизведения я выбрал схему от John Linsley Hood 1969 года, взяв авторские параметры в расчёте на импеданс своих колонок 8 Ом.

Классическая схема от британского инженера, опубликованная почти 50 лет назад, до сих пор является одной из самых воспроизводимых и собирает о себе исключительно положительные отзывы. Этому есть множество объяснений:
— минимальное количество элементов упрощает монтаж. Также считается, что чем проще конструкция, тем лучше звук;
— несмотря на то, что выходных транзисторов два, их не надо перебирать в комплементарные пары;
— выходных 10 Ватт с запасом хватает для обычных человеческих жилищ, а входная чувствительность 0.5-1 Вольт очень хорошо согласуется с выходом большинства звуковых карт или проигрывателей;
— класс А — он и в Африке класс А, если мы говорим о хорошем звучании. О сравнении с другими классами будет чуть ниже.


Внутренний дизайн

Усилитель начинается с питания. Разделение двух каналов для стерео правильнее всего вести уже с двух разных трансформаторов, но я ограничился одним трансформатором с двумя вторичными обмотками. После этих обмоток каждый канал существует сам по себе, поэтому надо не забывать умножать на два всё упомянутое снизу. На макетке делаем мосты на диодах Шоттки для выпрямителя.

Можно и на обычных диодах или даже готовых мостах, но тогда их необходимо шунтировать конденсаторами, да и падение напряжения на них больше. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Если взять меньше и ёмкость, и резистор, то CRC-фильтр станет дешевле и меньше греться, но увеличатся пульсации, что не комильфо. Данные параметры, имхо, являются разумными с точки зрения цена-эффект. Резистор в фильтр нужен мощный цементный, при токе покоя до 2А он будет рассеивать 3 Вт тепла, поэтому лучше взять с запасом на 5-10 Вт. Остальным резисторам в схеме мощности 2 Вт будет вполне достаточно.

Далее переходим к самой плате усилителя. В интернет-магазинах продаётся куча готовых китов, однако не меньше и жалоб на качество китайских компонентов или безграмотных разводок на платах. Поэтому лучше самому, под свою же «рассыпуху». Я сделал оба канала на единой макетке, чтобы потом прикрепить её ко дну корпуса. Запуск с тестовыми элементами:

Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах, об этом чуть ниже. К авторской схеме из оригинальной статьи нужно сделать такие ремарки:

— не всё нужно сразу впаивать намертво. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением. Настройка сводится к следующим операциям. Сначала с помощью R6 выставляется, чтобы напряжение между X и нулём было ровно половиной от напряжения +V и нулём. В одном из каналов мне не хватило 100 кОм, так что лучше брать эти подстроечники с запасом. Затем с помощью R1 и R2 (сохраняя их примерное соотношение!) выставляется ток покоя – ставим тестер на измерение постоянного тока и измеряем этот самый ток в точке входа плюса питания. Мне пришлось ощутимо снизить сопротивление обоих резисторов для получения нужного тока покоя. Ток покоя усилителя в классе А максимальный и по сути, в отсутствие входного сигнала, весь уходит в тепловую энергию. Для 8-омных колонок этот ток, по рекомендации автора, должен быть 1.2 А при напряжении 27 Вольт, что означает 32.4 Ватта тепла на каждый канал. Поскольку выставление тока может занять несколько минут, то выходные транзисторы должны быть уже на охлаждающих радиаторах, иначе они быстро перегреются и умрут. Ибо греются в основном они.

— не исключено, что в порядке эксперимента захочется сравнить звучание разных транзисторов, поэтому для них тоже можно оставить возможность удобной замены. Я попробовал на входе 2N3906, КТ361 и BC557C, была небольшая разница в пользу последнего. В предвыходных пробовались КТ630, BD139 и КТ801, остановился на импортных. Хотя все вышеперечисленные транзисторы очень хороши, и разница может быть скорее субъективной. На выходе я поставил сразу 2N3055 (ST Microelectronics), поскольку они нравятся многим.

— при регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. По Сети ещё гуляет русская картинка-схема «Ультралинейный усилитель класса А», где этот конденсатор вообще предложен как 0.1 мкф, что чревато срезом всех басов под 90 Гц:

— пишут, что эта схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф.
— предохранители, их можно и нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
— очень уместным будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.

Слесарно-столярное

Теперь о традиционно самой сложной части в DIY — корпусе. Габариты корпуса задаются радиаторами, а они в классе А должны быть большими, помним про 30 Ватт тепла с каждой стороны. Сначала я недоучёл эту мощность и сделал корпус со средненькими радиаторами 800см² на канал. Однако при выставленном токе покоя 1.2А они нагрелись до 100°С уже за 5 минут, и стало ясно, что нужно нечто помощнее. То есть нужно либо ставить радиаторы побольше, либо использовать кулеры. Делать квадрокоптер мне не хотелось, поэтому были куплены гигантские красавцы HS 135-250 площадью 2500 см² на каждый транзистор. Как показала практика, такая мера оказалась немного избыточной, зато теперь усилитель спокойно можно трогать руками – температура равна лишь 40°С даже в режиме покоя. Некоторой проблемой стало сверление отверстий в радиаторах под крепления и транзисторы – изначально купленные китайские свёрла по металлу сверлили крайне медленно, на каждую дырку уходило бы не менее получаса. На помощь пришли кобальтовые свёрла с углом заточки 135° от известного немецкого производителя — каждое отверстие проходится за несколько секунд!

Сам корпус я сделал из оргстекла. Заказываем у стекольщиков сразу нарезанные прямоугольники, выполняем в них необходимые отверстия для креплений и красим с обратной стороны чёрной краской.

Покрашенное с обратной стороны оргстекло смотрится очень красиво. Теперь остаётся только всё собрать и наслаждаться музы… ах да, при окончательной сборке ещё важно для минимизации фона правильно развести землю. Как было выяснено за десятилетия до нас, C3 нужно присоединять к сигнальной земле, т.е. к минусу входа-входа, а все остальные минуса можно отправить на «звезду» возле конденсаторов фильтра. Если всё сделано правильно, то никакого фона не расслышать, даже если на максимальной громкости поднести ухо к колонке. Ещё одна «земляная» особенность, которая характерна для звуковых карт, не развязанных с компьютером гальванически – это помехи с материнки, которые могут пролезть через USB и RCA. Судя по интернету, проблема встречается часто: в колонках можно услышать звуки работы HDD, принтера, мышки и фон БП системника. В таком случае проще всего разорвать земляную петлю, заклеив изолентой заземление на вилке усилителя. Опасаться тут нечего, т.к. останется второй контур заземления через компьютер.

Регулятор громкости на усилителе я не стал делать, поскольку достать какой-нибудь качественный ALPS не удалось, а шуршание китайских потенциометров мне не понравилось. Вместо него был установлен обычный резистор 47 кОм между «землёй» и «сигналом» входа. Тем более регулятор у внешней звуковой карты всегда под рукой, да и в каждой программе тоже есть ползунок. Регулятора громкости нет только у винилового проигрывателя, поэтому для его прослушивания я приделал внешний потенциометр к соединительному кабелю.

Я угадаю этот контейнер за 5 секунд…

Наконец, можно приступать к прослушиванию. В качестве источника звука используется Foobar2000 → ASIO → внешняя Asus Xonar U7. Колонки Microlab Pro3. Главное достоинство этих колонок — это отдельный блок собственного усилителя на микросхеме LM4766, который можно сразу убрать куда-то подальше. Намного интереснее с этой акустикой звучали усилок от мини-системы Panasonic с гордой надписью Hi-Fi или усилитель советского проигрывателя Вега-109. Оба вышеупомянутых аппарата работают в классе АВ. Представленный в статье JLH переиграл всех вышеперечисленных товарищей в одну калитку, по результатам слепого теста для 3 человек. Хотя разницу было слышно невооружённым ухом и без всяких тестов – звук явно детальнее и прозрачнее. Весьма легко, например, услышать различие между MP3 256kbps и FLAC. Раньше я думал, что эффект lossless больше как плацебо, но теперь мнение изменилось. Аналогичным образом гораздо приятнее стало слушать нескомпрессованые от loudness war файлы — dynamic range меньше 5 Дб вообще не айс. Линсли-Худ стоит затрат времени и денег, ибо аналогичный брендовый усилок будет стоить намного дороже.
Материальные затраты

Трансформатор 2200 р.
Выходные транзисторы (6 шт. с запасом) 900 р.
Конденсаторы фильтра (4 шт) 2700 р.
«Рассыпуха» (резисторы, мелкие конденсаторы и транзисторы, диоды) ~ 2000 р.
Радиаторы 1800 р.
Оргстекло 650 р.
Краска 250 р.
Разъёмы 600 р.
Платы, провода, серебряный припой и пр. ~1000 р.
ИТОГО ~12100 р.

Усилитель в классе А №11 с невероятной мощностью и качеством звука!

Привет всем читателям Звукомания! Представляю вам свой небольшой обзор, большого по качеству звука усилителя в классе А. Да знаю, многие ждали этого обзора давно.

Левчук Александр Николаевич ©

Все знают, что каменные усилители в чистом классе А довольно проблематично сделать очень мощными в виду их характеристик и особенностей. Но у меня все же появился усилитель в классе А с неплохой мощностью до 60 Вт!!! Этот усилитель звука построен по схеме Лайкова (кстати, 6 версия!). 

Ведь усилители в классе А очень редко используемый тип усилителей. Усилитель класса А №11 представляет собой довольно мощный вид усилителя 60вт на канал, который использует транзисторы в общей схеме, для получения инвертированного выхода.

Клон Naim NAP 200 отзывы

 усилитель в классе А №11 

Транзисторы дают полный входной сигнал, создавая самые минимальные искажения и максимальную амплитуду выходного сигнала.
Это означает, что данный усилитель класса А являет идеальный режимом работы, потому что в нем не может быть искажений, а также перекрестных помех на выходной сигнал даже во время отрицательной половины цикла. Выходные каскады усилителя мощности класса A используют пары транзисторов, соединенных вместе для совместного использования тока большой нагрузки.

Для усилителя мощности, особенно класса А очень важно, чтобы источник питания был высококачественным, чтобы обеспечить максимальную доступную непрерывную мощность выходного сигнала.

Внешний вид. Данный аппарат имеет дизайн, который довольно стандартен и лаконичен. Всё чётко, строго и без лишней мишуры — это вам не китайские или фирменные усилители напичканные микрухой и разными не нужными улучшайзерами.

бюджетный ламповый усилитель Тон

Внутри высококачественные комплектующие, экранированный тороидальный трансформатор 200ватт. Защита акустики (от постоянки), софтстарт. Усилитель в классе А внутри имеет конденсаторы ELNA.

Передняя панель серебрянного цвета, на ней находится кнопка включения и регулятор громкости. Остальная часть усилителя выкрашена в серый цвет, верх гладкий. По бокам расположены толстенные радиаторы – это же класс А.

Задняя панель также стандартна. Мощные высококачественные завинчивающиеся клеммы, пара разъёмов RCA, а также разъём 220В с задним выключателем и предохранителем.

Прослушивание/впечатления 

Общее впечатление от звука. Целостность, точность, качественно играет на ВЧ и СЧ, звучание «дышит» своей естественностью, гипер-трехмерные звуковые образы на звуковой сцене, очень музыкальный, воспроизводит самые тонкие нюансы, показывает несравненную, чем обычные усилители в классе АВ текстуру средних частот, удивительная микродинамика и жуткая, сверхъестественная тональность – вот такие были у меня впечатления от прослушивания этого усилителя. 

Усилитель в классе А + акустика на широкополосных динамиках на новой стойке

Также понравилась интимность с музыкой, данный усилитель как никто другой показывает самые интересные мелочи, которые вы не услышите на ином усилителе особенно ВЧ и СЧ в музыке более заметны.

Альбом «Keiko Matsui — Journey To The Heart — 2016» — хорошо и довольно умело Усилитель №11 воспроизвёл нам композиции из этого альбома. Также отлично было слушать этот усилитель в связке с акустикой на широкополосных динамиках.

Усилитель в классе А + акустика на ШП динах

Честно говоря, я даже могу сказать, что этот усилитель по звуку похож на дорогой ламповый усилитель, но из достоинств данного каменного хочу выделить более глубокий бас, чем у ламповиков, а также больше драйва и энергии, ну и конечно нельзя обойти вниманием мощность этого усилителя в 60 вт на канал. 

Усилитель в классе А в стойке

Альбом «Yello — Toy (2016) » довольно неплохо раскрыл данный усилитель для своего соотношения цены, показывал без размазывания вокал и бас был на месте. Яркий, чёткий звук.
Очень всеядно-жанровый от рока до джаза и классики, на нём всё приятно слушать. Усилитель №11 преподнесёт довольно правильное воспроизведение человеческого голоса, вокал слушать одно удовольствие.

Усилитель в классе А + акустика на широкополосных динамиках

Альбом «2015 — Afrodeezia» Маркус Миллер 
Музыкальное содержание и качество воспроизведения этого альбома потрясло меня, но особенно привлекли мое внимание необычно детальные высокие частоты, а также общий тональный и пространственный трехмерный реализм звуковой сцены. Звуковые эффекты не только звучали необычайно реалистично, но артистичность вокала исполнителей была невероятной. 

Кино «Звезда по имени Солнце» 1989 
Кстати, бас глубокий, весомый и с хорошей глубиной. 
Усилитель в классе А №11 никогда не терял звукового самообладания, он с удовольствием воспроизводит самые сложные композиции и разнообразные тональные и текстурно-специфические ударные звуки, от флейты, и барабана до скрипки и литавр.

Усилитель в классе А и акустика на широкополосных динамиках

Это удивительно открытый звук, который легко получался у усилителя, причём он глубоко погружался в соблазнительные композиции Баха. Я был полностью пропитан музыкой.

Усилитель в классе А + акустика звук

Воспроизводит музыку со своим уникальным звуковым характером. Его разрешение пространственной информации на звуковой сцене, его способность воссоздавать музыкальные события с некой осторожностью, но со своей энергетикой, то к чему должен стремится меломан и аудиофил.

Не менее захватывающим был Stevie Ray Vaughan альбом «In Step (1989)», который перенес меня в Америку со сказочной игрой на гитаре которая окружила меня. Приятно было слышать знакомые записи, раскрыть новые звуковые истины. 

Усилитель в классе А + АС на широкополосных динамиках

Итоги. Усилитель №11 — это необычный аудио-продукт, особенно хорош для аудиофилов, которые находятся постоянно в поисках своего звука. А может быть вы один из них? Из плюсов это близость с музыкой, несравненная текстура средних частот и общая тональность, а также трехмерная огромная звуковая сцена. Внутри красивого корпуса скрывается реально мощная конструкция, благодаря которой вы полюбите всю свою музыкальную коллекцию.

С таким усилителем редко кто расстаётся, благодаря не только высококачественному воспроизведению музыки, ведь усилители в классе А в большинстве своём достаточно маломощные, но не усилитель №11.  С полностью дискретным усилителем мощности и тороидальным трансформатором этот усилитель настоящий волк в овечьей шкуре — мощный, качественный, дорогой звук!

Клон Naim NAP 200 черный

Отзывы на усилитель

Усилитель просто сказка!  Соседский ламповик намного дороже нагнул по полной!!!!!! Я в восторге мои колонки на гудмансах он раскрывает просто по полной программе!!! Хоть и пришлось ждать. но он стоит всех денег в него вложенных. Спасибо, будете у нас в краях обязательно заходите на чай с ламповым, чистым звуком в гости.

Томск.обл. Сергей Л.

Добрый день Александр!

Вот включил этот усилитель, поменял его  на мой любимый Одиссей, сижу и чуть ли не плачу!  Ведь я столько лет слушал этот хлам, это я про усилитель Одиссей, теперь мой любимый усилитель этот усилитель.

Свердловск. обл. Андрей Тимофеевич 

Ноутбук цап  + усь + акустика на 10гдш 36 подпёртая вч 2гд36 через 2,4 мф, даже мр3 звучат отлично теперь вид прост и мил ничего лишнего, звук с двд хороший с бука +цап , причем намного лучше с цапом.

Ульяновск.обл. Кирилл

отзыв на усилитель в классе А

Усилитель в классе А №11 

Гарантия на усилитель — 6 мес. с момента покупки усилителя.

В случае устранения каких либо ремонтных действий в усилителе, переделки, ремонт усилителя самому, своими силами или через мастера — гарантия на устройство теряет свою силу.

Клон Naim NAP 200 обзор

Если вы являетесь производителем, импортером, дистрибьютором или агентом в области воспроизведения звука и хотели бы связаться с нами, пожалуйста, свяжитесь со мной в ВК или по эл. почте[email protected]

Вам нужен хороший усилитель для наушников, новый ламповый усилитель или отличный ЦАП, плеер, наушники, АС или другая звуковая техника, (усилитель, ресивер и т.д.) то пишите в ВК, помогу выгодно и с гарантией  приобрести хорошую звуковую технику…

По всем вопросам Пишите мне на эл. почту: [email protected] или ВК https://vk.com/id104002989 или https://ok.ru/aleksandr.levchuk2 

Не забывайте сохранять нас в закладках! (CTRL+SHiFT+D)

Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске именно своего звука! 

На нашем сайте Звукомания есть полезная информация по звуку и видео, которая пригодится для каждого, причем на каждый день, мы обновляем сайт «Звукомания» постоянно и стараемся искать и писать только отличную, проверенную и нужную информацию.

Если вы хотите узнать больше об этой теме, и быть в курсе, пожалуйста, подпишитесь на наш сайт 

Классы усилителей мощности. Усилители классов А, В, АВ, С



Принцип разбиения усилителей по классам.

Усилители мощности применяются в огромном количестве электронных приборов: звуковых системах, электродвигателях, устройствах с беспроводной передачей энергии и т.д. При этом существует несколько разновидностей усилителей и при проектировании схемы зачастую встаёт вопрос о том, который из существующих типов лучше всего подходит для данного случая.

Основными характеристиками усилителя мощности являются: линейность, коэффициент усиления, эффективность и выходная мощность. В действительности (в реальных условиях) первоочередными для рассмотрения являются эффективность усилителя и линейность получаемого сигнала. При проектировании реального усилителя все эти характеристики вывести на высокий уровень не получается, приходится искать компромиссный вариант.

Существует несколько вариантов классификации усилителей мощности, но наиболее часто используют разделения на классы. Класс усилителя определяется режимом работы активного элемента (усилительного каскада из транзистора/транзисторов) и параметрами схемы и входящих в неё элементов. Среди классов можно найти схемы с полностью линейным режимом работы, но с низкой эффективностью, и абсолютно нелинейным режимом, эффективность которых намного выше.

Таким образом, усилители мощности можно разделить на 2 группы. К первой можно отнести усилители, у которых режим работы зависит от выбранного угла проводимости транзистора. К этой группе относятся достаточно распространённые классы А, В, АВ и С, в которых характер работы транзисторов можно описать как среднее между полностью открытым и закрытым состояниями. Значение угла проводимости для транзисторов таких усилителей варьируется от 360° (полностью открытый транзистор в течение всего периода) до 90° (пропускается только четверть сигнала, остальное время транзистор закрыт). В аудиосистемах используются эти классы усилителей и именно о них речь пойдёт в этой статье.

Ко второй же группе относятся усилители, в которых транзисторы работают в ключевом режиме. К этой группе усилителей классы D, E, G, S, T и т.д.

Усилитель мощности класса А.

Усилители класса А (рисунок 1) из-за своей конструкции являются самыми простыми из всех перечисленных раннее. По сути усилитель класса А — это биполярный транзистор с общим эмиттером (или полевой транзистор с общим истоком) с углом проводимости сигнала 360º. Стоит отметить что транзистор всегда открыт и через него постоянно течёт ток. Чтобы транзистор был всегда открытым, задаётся ток смещения на базе. Значение тока смещения подбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области линейного усиления с минимальными (полностью отсутствующими в идеальном случае) искажениями. Это его главное преимущество и недостаток одновременно, так как выходной сигнал получается практически неискажённым, но потери энергии при использовании такого усилителя самые большие (в сравнении с другими классами). [1, c. 385-387]

Эффективность усилителей класса А из-за непрерывной работы крайне низкая и может падать до значений в 25 % [1, c. 387], что делает такие модели непригодными для усиления сигналов высоких мощностей. Также данный класс предъявляет большие требования к источнику питания: сигнал от источника питания должен быть отфильтрован, потому что транзистор находится в открытом состоянии постоянно и любые помехи от источника питания усиливаются и передаются на выход.

Рис. 1. Схема усилителя класса А и выбор рабочей точки транзистора [5]

Усилитель мощности класса В.

При создании усилителя класса В (рисунок 2) конструкторы старались избежать проблем с тепловыми потерями и низкой эффективностью. Самая простая схема класса В включает в себя 2 дополняющих друг друга биполярных (полевых) транзистора, каждый из которых усиливает только половину выходного сигнала. В усилителе класса В постоянный ток смещения на базе отсутствует, транзисторы проводят ток только при наличии соответствующего управляющего сигнала, а ток покоя на этих транзисторах крайне мал. Эти факторы приводят к большему значению эффективности усилителя, чем у класса А, но выходной сигнал при этом имеет нелинейные искажения.

Данная схема состоит из пары последовательно соединённых транзисторов одного типа, но разной полярности. Эта пара транзисторов управляется от одного источника напряжения, генерирующего гармонический сигнал. Таким образом, они работают поочерёдно, по половине периода каждый. Если подаётся положительный сигнал, то транзистор NPN (n-канальный) открыт и наоборот. На выходе результаты работы обоих транзисторов складываются в единый линейный сигнал при угле проводимости каждого из транзисторов 180°. Такая двухтактная конструкция существенно увеличивает среднюю эффективность усилителя, примерно до 50 %, но вместе с этим и добавляет нелинейное искажение в выходной сигнал в момент пересечения нулевого значения напряжения. [2, c. 643-644]

Поскольку для каждого транзистора существует своё напряжение насыщения базы-эмиттера (как правило, положительное для NPN и отрицательное для PNP), то в момент, когда управляющее напряжение находится в интервале между этими значениями, оба транзистора закрыты, поэтому часть усиливаемого сигнала пропадает.

Рис. 2. Схема усилителя класса В и выбор рабочей точки транзистора [5]

Усилитель класса АВ.

Усилитель класса В в значительной мере снижает тепловые потери и повышает эффективность, но уступает при этом по параметру линейности выходного сигнала классу А. С целью решить обе проблемы был разработан усилитель класса АВ (усилитель класса АВ), который совмещает в себе оба этих режима и является наиболее распространённым классом линейного усилителя. [3, c. 34-35]

В усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом, чтобы угол проводимости транзисторов был в пределах от 180° до 360° (в большинстве случаев угол незначительно превышает 180°). Таким образом каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала до пересечения нулевого значения, а чуть больше, и искажение выходного сигнала сглаживается, поскольку сигнал усиливается целиком без скачков и провалов, связанных с переключением транзисторов. Для того чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов к базам (затворам) подключаются несколько диодов и/или резисторов. [4, c. 396]

Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В — порядка 50 %, но они сильно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, данный класс линейных усилителей используется наиболее часто. Наиболее широкое применение усилители АВ находят в аудиоусилителях, поскольку при достаточно высоких показателях эффективности они могут дать на выходе неискажённый сигнал.

Рис. 3. Схема усилителя класса АВ и выбор рабочей точки транзистора [5]

Усилитель класса С.

Усилители А, В и АВ иногда называют линейными потому, что их амплитуда и фаза их выходного сигнала связана линейной зависимостью с амплитудой и фазой входного сигнала Класс С в свою очередь нельзя назвать линейным согласно приведённому выше критерию, но в ключевом режиме он также не работает. Метод же управления транзистором в классе С такой же: выбор нужной рабочей точки транзистора с помощью установки смещения на базе (затворе). Таким образом усилитель класса С относится к той же подгруппе, что и описанные ранее классы.

Из всех усилителей этой подгруппы класс С достигает наивысших значений эффективности, однако при этом выходной сигнал очень сильно искажается. На базе транзистора класса С задаётся такое смещение, чтобы он был закрыт больше половины периода входного сигнала. Иными словами угол проводимости транзистора в классе С задаётся в интервале от 0° до 180°. Поскольку большую часть времени транзистор закрыт, то и потери на нём минимизированы, а эффективность благодаря этому может достигать 100 % в идеальном случае. [1, c. 403, 405]

Из-за сильного искажения выходного сигнала усилители класса С не используются в аудиоусилителях, но они находят широкое применение в высокочастотных генераторах синусоидальных сигналов и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, создаваемые на выходе усилителя, могут быть преобразованы в полный синусоидальный сигнал определённой частоты за счёт резонансного L-C контура, подключённого к выходу усилителя. [4, c. 106-107]

Рис. 4. Схема усилителя класса С и выбор рабочей точки транзистора [5]

Заключение.

При классификации усилителей по режиму работы транзистора выделяют две основные большие группы: управляемые смещением на базе/затворе и ключевые усилители. В первой группе класс определяется выбором угла проводимости через установку рабочей точки транзистора. Для усилителей класса А угол проводимости равен 360° и характерны крайне низкая эффективность (может падать до 25 %) и линейное усиление без искажений выходного сигнала. Усилители класса В имеют угол проводимости 180°, эффективность порядка 50 % за счёт двухтактной системы усиления сигнала. Однако, такая система вносит нелинейные искажения в сигнал в области пересечения нулевого значения. В усилителях класса АВ угол проводимости берётся несколько больше 180° (конкретное значение зависит от параметров схемы), эффективность порядка 50-60 %, а нелинейные искажения в области нуля, характерные для класса В, полностью отсутствуют (для идеального случая). Усилители класса С определяются углом проводимости транзистора от 0° до 180°, эффективность в среднем 70-80 %, но сигнал претерпевает сильные нелинейные искажения.

Усилитель класса А используется редко ввиду малой эффективности, но простота его реализации может сделать его выбор оправданным для схем с малыми мощностями. Классы В и АВ очень широко применяются в звуковых усилителях из-за одновременно хороших показателей эффективности и линейности сигнала. Усилитель класса С применяется в высокочастотных генераторах или радиоусилителях с использованием резонансного L-C контура.

Рис. 5. Классы усилителей и соответствующие им средние значения эффективности и угла проводимости [5]

Литература:

  1. Malvino A., Bates D. J. Electronic Principles. — 7-е изд.: McGraw-Hill Science, 2007. — 1116 p.
  2. V. Paidi, S. Xie, R. Coffie, B. Moran, S. Heikman, S. Keller, A, Chini, S. P. DenBars, U. K. Mishra, S. Long, M. J. W. Rodwell. High Linearity and High Efficiency of Class-B Power Amplifiers in GaN HEMT Technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2003. — vol. 51, NO. 2. — p. 643-652.
  3. Douglas Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. — 3-е изд.: Newnes, 2002. — 427 p.
  4. Schuylenbergh K. V., Puers R. Inductive Powering. Basic Theory and Application to Biomedical Systems.: Springer Science + Business Media, 2009. — 233 p.
  5. Amplifier Classes and Classification of Amplifiers // Electronic tutorials. URL: http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amplifier-classes.html (дата обращения 24.04. 2017).

Основные термины (генерируются автоматически): выходной сигнал, транзистор, угол проводимости, усилитель класса АВ, L-C, NPN, класс В, класс С, усилитель класса А, усилитель класса С.

Классы усилителей мощности – invask.ru

Классы усилителей мощности

В зависимости от режима работы выходного каскада различают несколько классов усилителей мощности. 

 

Класс A

 

Класс A – линейный, усиление происходит на линейном участке ВАХ (вольт-амперной характеристики), отсутствие переходных искажений, но низкий КПД (10-20%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева.

 

Класс В


Класс В – лампы или транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. усиливают только свою полуволну сигнала в линейном режиме. Это как бы 2 отдельных класса А (для каждой полуволны свой). Высокая экономичность, но возрастают переходные искажения за счёт неидеальности “стыковки” верхней и нижней полуволн сигнала.

 

Класс С


Этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке – резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока.

 

Класс AB


Класс AB – компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала (“стыковка” ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается.

 

Класс D


 класс D – это особый класс усилителей мощности на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства – очень высокая экономичность, недостатки – высокочастотные  импульсные помехи, которые необходимо подавлять.

 

Класс Е


Класс Е – если усилители класса D работают на основе ШИМ, то класс E – в ключевом режиме. В основном используется опять же в ВЧ аппаратуре.

 

Класс G


Класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности.

 

Класс Н


Класс Н — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то вроде ключевого усилителя класса D.

 

Класс T


Класс T — похож на класс D, но с использованием цифровой коррекции сигнала. 

  

Какие бывают классы аудиоусилителей?

Первоначально опубликовано: 20 апреля 2014 г.

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификации усилителя, вы могли заметить, что это класс усилителя. Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенными классами усилителей, используемыми сегодня в бытовом домашнем аудио, являются классы A, A / B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами оценки, а описывают топологию усилителя, я.е. как они функционируют на базовом уровне. В то время как каждый класс усилителей имеет свой собственный набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивается конечная производительность) остается прежней: усилить форму волны, отправляемую на него предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере, с минимальными искажениями. . Так что же означает наш алфавитный набор классов усилителей? Продолжайте читать, чтобы узнать, но сначала посмотрите наше недавно добавленное видео-обсуждение на YouTube!

Классы усилителей Обсуждение на YouTube

Мы собираемся обсудить, как усилители проводят через сигналы, поэтому ниже показана базовая диаграмма синусоидального сигнала.

Sinewave – полная длина волны представляет 360 градусов

Класс A

По сравнению с другими классами усилителей, которые мы рассмотрим, усилители класса A являются относительно простыми устройствами. Определяющий принцип работы класса A заключается в том, что все выходные устройства усилителя должны проводить полный цикл сигнала в 360 градусов. Класс A также можно разделить на усилители с несимметричным выходом и двухтактные усилители. Двухтактное отклонение от основного объяснения выше за счет использования выходных устройств попарно.В то время как оба устройства проводят полный цикл в 360 градусов, одно устройство будет брать на себя большую часть нагрузки во время положительной части цикла, в то время как другое обрабатывает больше отрицательного цикла; Основным преимуществом такой схемы является уменьшение искажений по сравнению с несимметричными схемами, поскольку гармоники четного порядка подавляются. Кроме того, конструкции класса А «толкают / толкают» менее подвержены гудению; односторонние конструкции, как правило, требуют особого внимания к источнику питания, чтобы смягчить эту проблему.

Простая диаграмма класса A (слева; любезно предоставлено sound.westhost.com) и мощный усилитель класса A Pass Labs XS150 (справа).

Из-за положительных характеристик, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих кругах аудиофилов. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток: эффективность. Требование к конструкциям класса А иметь все выходные устройства всегда проводящими приводит к значительным потерям энергии, которая в конечном итоге преобразуется в тепло.Это еще больше усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель производит нулевой выходной сигнал. Реальные показатели эффективности могут составлять порядка 15-35% с вероятностью снижения до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В то время как все выходные устройства в усилителе класса A проводят 100% времени, в усилителях класса B используется двухтактная компоновка таким образом, что только половина выходных устройств проводит ток в любой момент времени: одна половина покрывает Часть формы волны +180 градусов, а другая – часть -180 градусов.Как следствие, усилители класса B значительно более эффективны, чем их аналоги класса A, с теоретическим максимумом 78,5%. Учитывая относительно высокую эффективность, класс B использовался в некоторых профессиональных усилителях звука, а также в некоторых домашних ламповых усилителях.

Несмотря на их очевидную силу, велика вероятность, что вы не увидите слишком много чистых усилителей класса B, плавающих вокруг. Причина этого известна как искажение кроссовера.

Перекрестное искажение, влияющее на простую синусоидальную волну; изображение любезно предоставлено звуком.westhost.com.

Как видно на изображении выше, перекрестное искажение – это проблема / задержка при передаче обслуживания между устройствами, обрабатывающими положительную и отрицательную части формы волны. Излишне говорить, что такое искажение в достаточной степени слышно, и хотя некоторые конструкции класса B были лучше других в этом отношении, класс B не получил особой любви со стороны аудиофилов.

Класс A / B

Class A / B, как можно догадаться, сочетает в себе лучшее из класса A и класса B, чтобы создать усилитель без недостатков ни того, ни другого.Благодаря такому сочетанию сильных сторон усилители класса A / B в значительной степени доминируют на потребительском рынке. Так как же им это удалось? Решение на самом деле довольно простое по своей концепции: там, где в классе B используется двухтактная схема, при которой каждая половина выходного каскада имеет проводимость на 180 градусов, усилители класса A / B увеличивают это значение до ~ 181-200 градусов. Таким образом, вероятность возникновения «разрыва» в цикле значительно снижается, и, следовательно, кроссоверное искажение снижается до уровня, в котором оно не имеет никакого значения.

Так что насчет этого маленького вопроса эффективности? Достаточно сказать, что класс A / B выполняет свои обещания, легко превосходя по эффективности чистые конструкции класса A со скоростью порядка ~ 50-70%, достигаемой в реальном мире. Фактические уровни, конечно, зависят от смещения усилителя и программного материала среди других факторов. Также стоит отметить, что некоторые конструкции класса A / B делают шаг вперед в своем стремлении избавиться от кроссоверных искажений, работая в чистом режиме класса A с мощностью до нескольких ватт.Это действительно снижает эффективность при работе на низких уровнях, но все же гарантирует, что усилитель не превратится в печь при выдаче большого количества энергии.

Пример схемы класса A / B (слева; взято из Википедии) и усилителя Emotiva XPA-1L класса A / B, который работает в режиме чистого класса A до первых 35 Вт (справа).

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны.Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A / B, в которых используется переключение шины напряжения и модуляция шины соответственно. В любом случае, в условиях низкой нагрузки, система использует более низкое напряжение на шине, чем усилитель класса A / B сравнимо номинальным номиналом, что значительно снижает энергопотребление; по мере возникновения условий высокой мощности система динамически увеличивает напряжение на шине (т. е. переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.

Сравнение топологий класса B и класса G (слева; изображение получено из звука.westhost.com) и Outlaw Model 2200, компактный, круто работающий усилитель класса G мощностью 200 Вт (справа).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах коммутации шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость. В наши дни это часто сокращается до некоторой степени с использованием сильноточных полевых МОП-транзисторов для выбора / изменения рельсов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей (обычно по одному устройству на рельс).Помимо стоимости самой коммутации шины / модуляции шины, также стоит отметить, что в некоторых усилителях класса G используется больше выходных устройств, чем в типичной конструкции класса A / B. Одна пара устройств будет работать в обычном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем другая пара остается в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, и активируется только по мере необходимости. В конце концов, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность оправдывает себя.Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкого энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором.

Класс D

Усилители класса D, часто ошибочно называемые «цифровым усилением», представляют собой зенит эффективности усилителя, причем в реальных условиях достигаются коэффициенты, превышающие 90%. Перво-наперво: почему его относят к классу D, если «цифровое усиление» неправильно? Это была просто следующая буква в алфавите, причем класс C использовался в неаудио приложениях.Что еще более важно, как возможна эффективность более 90%? В то время как все упомянутые выше классы усилителей имеют одно или несколько постоянно активных устройств вывода, даже когда усилитель фактически находится в режиме ожидания, усилители класса D быстро переключают устройства вывода между выключенным и включенным состоянием; Например, конструкции класса T, которые представляют собой реализацию класса D, разработанного Tripath, в отличие от формального класса, используют частоты переключения порядка 50 МГц. Устройства вывода обычно управляются широтно-импульсной модуляцией: прямоугольные волны различной ширины генерируются модулятором, который представляет аналоговый сигнал, который необходимо воспроизвести.При таком жестком управлении выходными устройствами теоретически возможен 100% -ный КПД (хотя, очевидно, недостижимый в реальном мире).

Пример полной мостовой схемы класса D (слева; получено с сайта sound.westhost.com) и усилителя IQ M300 класса D, чудо мощностью 300 Вт (справа).

Погружаясь глубже в мир класса D, вы также найдете упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи.С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют сгенерированное цифровым способом управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что те, у которых есть контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП впереди. ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они обычно предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть (не очень) мелочь, связанная с выходным фильтром: обычно это L-C цепь (катушка индуктивности и конденсатор), помещенная между усилителем и динамиками, чтобы уменьшить шум, связанный с работой класса D.Фильтр имеет большое значение: некачественный дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, в которых на этом этапе не используется обратная связь, отклик может быть настроен на определенный импеданс, но когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от нагрузку на громкоговоритель он видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.

В конечном счете, сложность класса D имеет свои плюсы: эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется в виде тепла, требуется гораздо меньший отвод тепла. Более того, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и возможности снижения веса по сравнению с традиционными аналоговыми / линейными источниками питания.Взятые вместе, даже мощные усилители класса D могут весить всего несколько фунтов. Недостатком источников питания SMPS перед традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Наше ограниченное тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это правда, где два сопоставимых по номиналу усилителя мощности оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог обеспечивать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, конструкции SMPS сейчас становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Насколько эффективен типичный усилитель класса D по сравнению с обычным дизайном класса A / B?

Одним словом: чрезвычайно. В то время как эффективность усилителя класса A / B повышается по мере приближения к максимальной выходной мощности, конструкции класса D поддерживают высокий рейтинг эффективности в большей части своего рабочего диапазона; в результате эффективность в реальном мире еще больше склоняется в их пользу. Изображение любезно предоставлено sound.westhost.com.

Один усилитель, чтобы править всеми?

При правильной реализации любой из вышеперечисленных элементов, не относящихся к чистому классу B, может стать основой высококачественного усилителя.Вам недостаточно? Затем давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждого дизайна:

Класс усилителя
Типичный КПД
Плюсы
Минусы
А ~ 15-35% Нет возможности кроссоверного искажения.
Неэффективность = нагрев
Несимметричные конструкции, склонные к гудению и более высоким уровням искажений.
Б ~ 70% Относительно высокий КПД.
Возможность значительного кроссоверного искажения и снижения качества воспроизведения
А / Б ~ 50-70% Более эффективен, чем класс A.
Относительно недорого.
Кроссоверное искажение может быть спорным.
КПД хороший, но не большой.
G&H
~ 50-70% Повышенная эффективность по сравнению с классом A / B.
Дороже, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достигаются при меньшем форм-факторе.
Д > 90% Максимально возможная эффективность
Легкий вес.
Широтно-импульсные модуляторы, работающие на относительно низких частотах, могут поставить под угрозу воспроизведение высокочастотного звука.
В некоторых конструкциях качество звука различается в зависимости от нагрузки на динамики.

Помимо потенциальных проблем с производительностью (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущи классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости по сравнению с эффективностью.На сегодняшнем рынке доминирует класс A / B, и не зря: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне подходит для приложений с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы подачи мощности с помощью таких усилителей, как 1000-ваттный моноблок Emotiva XPR-1, они обращаются к конструкциям класса G / H и класса D, чтобы их усилители не использовались в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса A, которые могут простить неэффективность в надежде на более чистый звук.

Резюме

В конце концов, классы усилителей не обязательно так важны, как некоторые могут приписать. Да, есть важные различия, особенно когда дело касается стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, веса. Конечно, усилитель класса A мощностью 500 Вт – плохая идея, если только идея использования вашего усилителя в качестве духовки не нравится вам. С другой стороны, различия между классами сами по себе не определяют качество звука. В конце концов, все сводится к проектированию и внедрению; в Audioholics нам посчастливилось услышать (и измерить) отличные примеры усилителей всех классов.Есть любимый? Обязательно озвучивайте свое мнение на наших форумах.

Verdinut сообщений сентябрь 19, 2018 21:20

Одним из примеров успешных усилителей классов A / B и A / B / H, использующих SMPS, является серия усилителей DCA, которые QSC Audio производит с 1998 года. Они доказали, что хорошо спроектированный усилитель может использовать импульсный источник питания и работать с ним. работа также, если не лучше, чем обычное линейное питание:

https://www.qsc.com/cinema/products/power-amplifiers/dca-series/

Я использую три DCA 1222 и один DCA 1824 в моем Система HT.

Matthew J Poes сообщения сентябрь 19, 2018 20:28

Не скажу, что у меня есть фаворит, я тоже слышал отличные примеры всех типов. Однако как рецензент и настройщик, постоянно перемещающий усилители, я могу с уверенностью сказать, что мне нравятся усилители класса D с источниками питания SMPS. Просто ими легче управлять.

Я довольно часто делал усилители своими руками, собирая их либо из модулей с предварительной рукояткой, либо из наборов, либо даже из моих собственных разработок. Я построил множество линейных источников питания, включая умножители емкости и источники CLC с катушками индуктивности размером с тороидальные трансформаторы мощностью 1 кВА.Я измерил их поведение с помощью компьютерного моделирования.

Есть качество SMPS, которое, я думаю, заслуживает упоминания и обсуждения. Им нужно немного любви.

Питание SMPS регулируется по своей природе. Это означает, что напряжение не падает с нагрузкой. Вместо этого он регулирует напряжение, пока оно не достигнет своего предела. Это хорошо для поддержания выходной мощности при различных условиях нагрузки и в высокодинамичных условиях. Это также гарантирует, что искажения усилителя и шум не вырастут внезапно на пределе.Линейные источники питания без регулирования не могут этого сделать и, следовательно, должны быть либо очень большими с огромной емкостью, либо использовать сложный метод CLC, как это сделал я, который действительно дорог и очень тяжел.

Ограничение SMPS заключается в том, что вы не можете рассматривать их максимальный номинальный ток или номинальную мощность так же, как линейные. Если рассматривать как усилитель, то линейные софт-клипсы там, где SMPS-клипы жесткие. Когда линейный источник питания приближается к своему пределу, он просто постепенно понижает напряжение по мере увеличения тока (что на самом деле нормально для нагрузок с низким импедансом), пока не достигнет предела.Также увеличивается пульсация, поэтому рекомендуется использовать большую емкость, чтобы этого избежать. SMPS не снижает напряжение, он просто достигает своего предела, и срабатывает ограничитель тока. Это приводит к меньшему запасу мощности. Я построил усилитель мощностью 300 Вт на канал (класс A / B) и включил источник SMPS мощностью 1200 Вт, предназначенный для использования звука. Он не мог даже достичь 300 Вт (среднеквадратичное значение) до срабатывания ограничителя. Тем не менее, тороидального трансформатора 1,2 кВА и емкости в 40 000 мкФ было бы достаточно, если бы линейный источник питания превысил этот рейтинг. Вместо этого усилителю требовалось вдвое больше источника питания, чтобы достичь ожидаемой мощности.Другими словами, SMPS не обязательно должен делать усилитель менее динамичным, производителям просто нужно начать использовать гораздо более мощные усилители. Вроде вдвое больше.

Еще одним приятным атрибутом SMPS является то, что их пульсации напряжения находятся на одном уровне с лучшими возможными линейными источниками питания с расширенной фильтрацией. Никакой базовый линейный источник RC не может даже сравниться. Хотя многие могут указывать на шум переключения в SMPS, на самом деле в современных хорошо спроектированных SMPS звукового уровня нет значимого шума переключения на выходе.У них действительно высокое радиочастотное излучение, но оно легко отфильтровывается. В конце концов, я думаю, нам всем нужны SMPS во всех усилителях.

ski2xblack сообщений декабрь 28, 2017 14:04

JRoss, пост: 1226221, участник: 84460
Привет, Стив, это, наверное, странный вопрос для вас, ребята, потому что это 12 вольт. Усилитель класса A, AB и т. Д. Вы когда-нибудь слышали о классе A / G? Может оно существует? В моей коллекции есть предположения середины и конца 80-х с нанесенной по трафарету схемой A / G.Ничего не могу найти на нем. Так вопрос, может ли это быть? Дай мне знать. Thx
Это может быть истолковано как любимая топология TLS, Quad current dumpers. Усилитель класса A довольно умно сочетался с классом B. Не уверен, был ли он когда-либо реализован в мобильном аудио. Или это могло быть так, как сказал Стив.

Anywho, у меня есть усилители класса a / b и g (h?), А также пара ламповых ламп SE, которые не особенно хорошо усиливаются, но они точно обеспечивают шоколадную середину.

Verdinut сообщений Декабрь 28, 2017 12:20

Самые мощные усилители QSC Audio работают в классе AB при более низких уровнях выходного сигнала, а затем переключаются на шину с более высоким напряжением для работы класса H.

Steve81 сообщений от 28 декабря, 2017 11:31

JRoss, пост: 1226221, участник: 84460
Итак, вопрос, может ли это быть? Дай мне знать. Thx

Может. Лучше всего предположить, что это, вероятно, усилитель A / B, который работает в классе A до определенного уровня, а затем использует дополнительную эффективность переключения шины A / B + (G) для более высоких уровней выходного сигнала.

Какой класс усилителя лучший?

Аудиоусилители доступны в различных классах, которые различаются с точки зрения конфигурации и электрических компонентов, причем усилители класса A являются наиболее распространенными из-за их заметной простоты.Усилители класса А, как известно, обеспечивают максимальную амплитуду и высокую линейность.

Но чем этот класс отличается от других классов усилителей, таких как B, AB, C и D? Кроме того, для каких сценариев использования они наиболее оптимальны? В этой статье делается попытка пролить свет на классы усилителей, уделяя особое внимание усилителям класса А. К концу этой статьи вы сможете определить, подходит ли усилитель класса A для ваших нужд.

Что такое класс усилителя?

Классы усилителей, такие как класс A, AB, C и D, обычно обозначаемые одной или двумя буквами, помогают описать топологию усилителя мощности, от его рабочих характеристик до его характеристик.Это не система оценок, как вы могли догадаться. Тот факт, что усилитель мощности имеет оценку A, не означает, что он по своей сути выше по качеству, чем другой усилитель, которому присвоена другая оценка.

Классификация усилителей важно учитывать перед принятием решения о покупке, потому что каждый класс дает различный отклик, когда через него проходит ток. На рынке доступно множество классов усилителей, но наиболее популярными являются классы A, B, AB, C и D. Современные усилители, использующие топологию переключения и технологию PWM, относятся к другим классам.

Также следует иметь в виду, что некоторые классы усилителей являются просто улучшенными вариантами традиционных классов. Например, усилители класса G в значительной степени являются усилителями класса B или класса AB, но с некоторыми модификациями.

Как конкретно классифицируются усилители? Что ж, все сводится к их пропорции входного цикла, когда через них проходит электрический ток. Если вы не знаете, что такое входной цикл, это производный угол синусоидальной волновой проводимости на входе усилителя. Этому углу уделяется много внимания, потому что он прямо пропорционален времени работы усилителя в течение полного цикла.

Например, если у вас есть усилитель, который всегда включен на протяжении всего цикла, его угол проводимости будет составлять 360 градусов, что означает, что усилитель использовал весь входной сигнал. Это также означает, что активный элемент последовательно проводит в течение всего периода синусоидальной волновой проводимости на входе.

Какие бывают классы усилителей?

Теперь, когда у вас есть базовое представление о том, как классифицируются усилители мощности, давайте прольем свет на некоторые из наиболее известных традиционных классов усилителей, чтобы вы полностью осознали различия между ними

Класс A

Усилители мощности класса A. представляют собой модели с углом проводимости 360 градусов, что означает, что они используют весь входной сигнал и остаются активными в течение всего цикла.Эти усилители отличаются высокой линейностью и высоким коэффициентом усиления. Поскольку усилители класса A всегда включены, они отлично справляются с передачей высоких частот, а также с образцовой стабильностью контура обратной связи.

С точки зрения конструкции усилители класса A являются одними из самых простых в изготовлении, поскольку в них используется минимальное количество компонентов. Означает ли это, что усилители класса А идеальны? Нисколько. У каждого класса усилителей есть свои плюсы и минусы. В случае усилителей класса A основным недостатком является то, что они способствуют значительным потерям мощности, поскольку они постоянно проводят ток.

Высокие потери мощности означают повышенное нагревание, а это означает, что усилителям класса A требуется больший объем радиатора для предотвращения повреждений. КПД усилителей класса A составляет от 25% до 30% при использовании обычной конфигурации, поэтому он относительно низок по сравнению с другими классами. Однако вы можете повысить эффективность до 50%, используя конфигурацию с индуктивной связью.

Более того, поскольку усилители класса A демонстрируют высокую линейность, они обязательно должны вносить некоторый уровень искажений и шумов.Если вы хотите минимизировать искажения и шум, вы должны особенно критически относиться к конструкции смещения усилителя. Проще говоря, усилители класса A оптимальны для усиления слабого сигнала.

Класс B

Вместо использования одного активного устройства, такого как усилители класса A, усилители класса B используют два устройства для обеспечения комбинированного управления током и 180 градусов цикла проводимости. Каждый привод активен только в течение половины цикла проводимости, что помогает значительно повысить эффективность.Точнее говоря, теоретически эффективность усилителей класса B составляет около 60%.

Повышение эффективности усилителей класса B помогает свести к минимуму рассеивание тепла, что означает, что вам не нужно много места для радиатора. Основной недостаток использования усилителя класса B – кроссоверные искажения. Этот кроссовер является результатом того, что каждое активное устройство отвечает за обеспечение половины синусоидальных волн, которые в конечном итоге объединяются на выходе.

В то время как искажения можно минимизировать в случае усилителя класса A, его трудно минимизировать с помощью усилителя класса B, потому что, когда одно из устройств активно, другое устройство остается полностью неактивным.Усилители класса B идеальны для большинства сценариев, за исключением тех, которые полагаются на прецизионное усиление звука.

Класс AB

Усилители класса AB разработаны специально для преодоления кроссоверных искажений, присущих усилителям класса B. Как следует из названия, в этих моделях используется промежуточный угол проводимости усилителей A и B. Этот класс в основном сочетает в себе лучшее от усилителей A и B. Он имеет ту же конфигурацию, что и усилители класса B, в том смысле, что в нем используются два активных элемента.

Каждый элемент отвечает за проводимость на протяжении половины каждого цикла, но они смещены таким образом, что они не полностью неактивны в момент перехода. Вместо того, чтобы быть полностью неактивным после завершения своей половины цикла, каждый элемент выполняет очень небольшой ввод. Это помогает значительно уменьшить кроссовер в мертвой зоне.

В такой конфигурации усилители класса AB должны быть безупречными, верно? Неправильный. Линейность усилителей AB довольно посредственная, поэтому их эффективность значительно снижается.Это по-прежнему больше, чем эффективность усилителей класса A, но меньше, чем у усилителей класса B. Некоторые усилители AB имеют резисторы малой стоимости, которые помогают стабилизировать ток покоя для минимизации искажений.

Класс C

Класс C – это еще один традиционный класс усилителей, который сильно отличается от всех других классов усилителей с точки зрения работы. На самом деле он демонстрирует два разных режима работы: настроенный и ненастроенный.

Он демонстрирует гораздо больший КПД, чем вышеперечисленные классы, достигая максимума 80%.Такой высокой эффективности можно достичь при усилении радиочастот. Для случаев использования, отличных от усиления радиочастоты, ожидайте КПД 60% -70%.

Что касается угла проводимости, то он меньше 180 градусов. При работе без настройки усилитель класса C исключает свой тюнер из процесса усиления. Однако этот режим сопровождается большим количеством искажений, которые могут отпугнуть некоторых людей.

С другой стороны, в случае воздействия на схему настроенной нагрузки уровень выходного смещения ограничивается средним выходным напряжением.Вот почему это называется «зажимной операцией». Сигнал в этом режиме не загроможден искажениями, потому что он сохраняет свою правильную форму.

Какой класс усилителя лучший?

Выбор лучшего класса полностью зависит от ваших потребностей. Если вы ищете высочайшее качество звука, лучше всего подходят усилители класса A, но они наименее эффективны. Усилители класса B – это шаг вперед по сравнению с усилителями класса A с точки зрения эффективности, но их главный недостаток – искажения.

Class AB обеспечивает превосходный баланс между эффективностью и качеством, однако они немного дороги. Если вы ищете максимально возможную эффективность, мы советуем выбрать усилитель класса D. Однако высокая точность воспроизведения – не один из сильных сторон этого класса.

Класс A против класса D

Мы исключили усилители класса D из нашего обсуждения различных классов усилителей, потому что мы хотели иметь равную между ними и усилителями класса A. Как мы уже установили, усилители класса A являются лучшими моделями, когда дело доходит до качества звука, тогда как усилители класса D являются лучшими с точки зрения эффективности.Их эффективность в некоторых случаях может доходить до 90%!

Усилители класса D уникальны по сравнению с другими классами в том смысле, что их бортовая схема способна генерировать сверхвысокочастотные импульсы, которые могут превышать 100 кГц. Более того, каждый импульс модифицируется входным сигналом. Как правило, чем шире пульс, тем громче должен быть сигнал. Это технология, которая называется широтно-импульсной модуляцией или сокращенно ШИМ.

Когда эти импульсы проходят через выходные транзисторы (MOSFET), создается невероятно высокий выходной сигнал.Транзисторы либо работают на полном газу, либо вообще не работают, поскольку получают импульсы постоянного тока. Это помогает обеспечить максимальную эффективность до 90%, как мы только что упомянули.

Фильтр нижних частот помогает сгладить выходной сигнал после усиления, чтобы обеспечить непрерывную аналоговую выходную мощность. Фильтр также помогает устранить помехи, возникающие из-за высокочастотных импульсов постоянного тока. Это, к сожалению, вызывает заметные искажения, поэтому аудиофилы не очень любят использовать усилители класса D и предпочитают использовать усилители класса A или класса AB.

Усилители класса D предпочтительнее для целей усиления звука и профессиональных систем PA, потому что точность воспроизведения в таких ситуациях не так важна. Кроме того, если вы цените компактность, вам понравятся усилители класса D, потому что они маленькие и легкие. Кроме того, они работают намного холоднее, чем усилители других классов, при том же уровне мощности.

Расчет КПД усилителя класса A

Чтобы определить КПД усилителя мощности, вы должны знать входную и выходную мощность усилителя.Чтобы определить входную мощность вашего усилителя, используйте формулу P = V * I , где V, – напряжение усилителя, а I – ток, протекающий через него. Для измерения этих значений вам понадобится мультиметр или осциллограф.

После этого необходимо определить выходную мощность по формуле P = V 2 / R , где V2 – выходное напряжение, а R – сопротивление. Поскольку у вас уже есть ток, вы можете определить сопротивление, разделив напряжение на ток ( R = V / I ).

Наконец, чтобы определить эффективность вашего усилителя, используйте формулу η max = (Pout / Pin) * 100 , где η max – это КПД, Pout – выходная мощность, и Контакт – входная мощность. Все просто, правда?

Плюсы и минусы усилителя класса А

Не существует такой вещи, как универсальный идеальный усилитель звука. У каждого есть свои преимущества и недостатки. В следующих параграфах освещаются плюсы и минусы усилителей класса А.

Преимущества:

  • High Fidelity – усилители класса A способны выдавать выходные сигналы, которые точно соответствуют входному сигналу, что гарантирует высокое качество звука.
  • Простая конструкция – в усилителях класса A используется один активный элемент, а их общая конструкция довольно проста и понятна.
  • Отличная высокочастотная характеристика – усилители класса A содержат одно активное устройство, которое всегда включено, что означает, что ему не требуется время для включения активного устройства.Это помогает обеспечить превосходный отклик на высоких частотах.
  • Отсутствие кроссоверных искажений – усилители класса A полагаются на одно активное устройство, выполняющее весь цикл входного сигнала, поэтому кроссоверные искажения отсутствуют.

Недостатки:

  • Громоздкая конструкция – даже несмотря на несложную конструкцию, усилители класса A, как правило, имеют громоздкую конструкцию из-за необходимости в большом радиаторе и источнике питания. Это также влечет за собой более высокую стоимость эксплуатации.
  • Наименьшая эффективность – усилители класса A имеют диапазон эффективности 25% -30%, что немного по сравнению с другими классами.

Заключительные мысли

Надеюсь, информация, представленная в этой статье, дала вам твердое представление о мире классов усилителей и помогла вам определить, какой класс подходит для ваших требований. Если у вас есть какие-либо вопросы, дайте нам знать.

A, B, AB, C, D и т. Д. »Электроника Примечания

Способ работы усилителя определяется его классом – широко используются классы усилителей, включая A, B, AB, C, D и другие.


Концепции конструкции усилителя Включает:
Основные концепции Классы усилителя


Усилители классифицируются в зависимости от того, как они смещены и работают.

Классы усилителей

, включая класс A, класс B, класс AB, класс C и т.п., широко используются при рассмотрении технических характеристик усилителей и их конструкции.

Класс усилителя выбирается в соответствии с общими требованиями.Разные классы усилителей обладают разными характеристиками, что позволяет усилителю работать определенным образом, а также с определенным уровнем эффективности.

Обзор классов усилителей

Усилители разных классов имеют разные рабочие характеристики. Это делает разные типы усилителей подходящими для разных ситуаций. Табличное резюме их различных характеристик приводится ниже.


Обозначения классов усилителя и сводка характеристик
Класс усилителя Описание Угол проводимости θ
Класс A Проведение на всех 360 ° цикла θ = 2π
Класс B Проводимость происходит в течение половины цикла, т.е.е. для 180 ° θ = π
Класс AB Электропроводность наблюдается в течение чуть более половины цикла, то есть чуть более 360 ° θ <θ <2π
Класс C Проводимость возникает менее чем на 180 ° цикла, но это создает искажение θ <π
Классы от D до T Усилители этих классов используют методы нелинейного переключения для повышения эффективности. НЕТ

Усилители класса A

Усилитель класса A смещен так, что он проводит в течение всего цикла формы волны. Он проводит все время, даже при очень слабых сигналах или при отсутствии сигнала.

Усилитель класса A по своей сути является наиболее линейной формой усилителя, и он обычно смещен, чтобы гарантировать, что выходной сигнал самого устройства, прежде чем он будет пропущен через конденсатор связи или трансформатор, будет составлять половину напряжения шины, что допускает скачки напряжения. одинаково по обе стороны от этой центральной точки.Это означает, что самый большой сигнал может быть обработан до того, как он достигнет верхней или нижней шины напряжения.

Обычно усилитель класса A начинает становиться нелинейным, когда сигнал приближается к любой шине напряжения, поэтому в этой ситуации обычно не работают.

Для правильной работы усилителя в условиях класса A ток отсутствия сигнала в выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки для пика любого сигнала.

Поскольку выходное устройство всегда проводит этот ток, это означает потерю мощности в усилителе.Фактически, максимальная теоретическая эффективность, которую может достичь усилитель класса A, составляет 50% эффективности при индуктивной связи по выходу или всего 25% при емкостной связи. На практике полученные фактические цифры намного меньше этого по ряду причин, включая потери в цепи и тот факт, что формы сигналов обычно не остаются на своих максимальных значениях, где достигаются максимальные уровни эффективности.

Соответственно, усилитель класса A обеспечивает линейный выходной сигнал с наименьшими искажениями, но также и с наименьшим уровнем эффективности.

Усилители класса B

Усилитель класса B смещен так, что проводит более половины формы волны. Используя два усилителя, каждый из которых проводит половину сигнала, можно охватить весь сигнал.

Для этого используются два активных устройства, а форма входного сигнала разделяется так, чтобы одно активное устройство проводило в течение половины цикла ввода, а другое – в течение другой половины. Две половины суммируются на выходе усилителя для восстановления полной формы сигнала.

Иногда усилители класса B называют «двухтактными», потому что выходы активных устройств имеют фазовое соотношение 180 °.Однако в наши дни этот термин используется менее широко – он имел тенденцию быть очень распространенным, когда использовались вакуумные лампы / термоэмиссионные клапаны, а в последние годы термин вышел из употребления.

КПД намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемых перекрестных искажений, когда одна половина усилителя отключается, а другая начинает действовать. Это происходит из-за нелинейностей, возникающих вблизи точки переключения, когда одно устройство включается, а другое выключается.Эта точка, как известно, является нелинейной, и искажение особенно заметно для сигналов низкого уровня, где нелинейный участок кривой представляет гораздо большую часть общего сигнала.

Хотя максимальная теоретическая эффективность усилителя класса B составляет 78,5%, типичные уровни эффективности намного ниже.

Усилители класса AB

Как и следовало ожидать, усилитель класса AB находится между классом A и классом B. Он направлен на преодоление перекрестных искажений путем небольшого включения транзисторов, так что они проводят чуть больше половины цикла, и два устройства перекрывают друг друга на некоторое время. небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая кроссоверные искажения.

Этот подход означает, что усилитель жертвует некоторым потенциальным КПД ради лучшей линейности – в точке кроссовера выходного сигнала наблюдается гораздо более плавный переход. Таким образом, усилители класса AB жертвуют частью эффективности ради снижения искажений. Соответственно, класс AB – гораздо лучший вариант, когда требуется компромисс между эффективностью и линейностью.

Классы AB1 и AB2
Термоэмиссионные клапаны или вакуумные лампы широко использовались для мощных аудио и линейных ВЧ усилителей.Для экономии затрат, веса и энергопотребления усилители использовались в классе AB, и часто упоминались два подкласса усилителей: класс AB1 и AB2. Эти подклассы применимы только к термоэлектронной технологии или технологии вакуумных трубок, поскольку они относятся к способу смещения сетки:

  • Класс AB1: Класс AB1 – это то место, где сеть смещена более отрицательно, чем в классе A. В классе AB1 клапан смещен так, что ток в сети не течет. Усилитель этого класса также дает более низкие искажения, чем усилитель класса AB2.
  • Класс AB2: Класс AB2 – это то место, где сетка часто имеет более отрицательное смещение, чем в AB1, а также размер входного сигнала часто больше. В этом классе ток сети течет в течение части положительного полупериода входного сигнала. Это нормальная практика, когда точка смещения сети класса AB2 находится ближе к отсечке, чем это происходит в классе AB1, а класс AB2 дает большую выходную мощность.

Усилители класса C

Усилитель класса C смещен так, что проводит меньше половины цикла.Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достичь очень высокого уровня эффективности. Этот тип усилителя может использоваться для РЧ-усилителей, которые передают сигнал без амплитудной модуляции – его можно без проблем использовать для частотной модуляции. Гармоники, создаваемые усилителем, эффективно работающим в режиме насыщения, могут быть удалены фильтрами на выходе. Эти усилители не используются для аудио приложений из-за уровня искажений.

Усилители

класса C обычно используют одно активное устройство, которое смещено в свою выключенную зону.При подаче сигнала верхние пики сигнала заставляют устройство работать в режиме проводимости, но, очевидно, только в течение небольшой части каждого цикла входной формы волны.

На выходе схема использует высокодобротный низкочастотный резонансный контур. Эта схема эффективно звонит после каждого импульса, так что выходной сигнал приближается к синусоиде. На выходе требуется фильтрация, чтобы гарантировать достаточно низкий уровень гармоник.

Обычно угол проводимости транзистора значительно меньше 180 ° – часто около 90 °.Уровни КПД могут достигать 80%, но значения 66% более нормальны, если принять во внимание потери в цепи и т. Д.

Усилитель классов от D до T

Существует множество различных классов усилителей, которые, как правило, основаны на методах переключения, а не на аналоговых подходах.

  • Усилитель класса D: В усилителе звука класса D используется технология переключения внутри усилителя. Поскольку выходные устройства либо включены, либо выключены, усилители класса D теоретически могут достичь уровня эффективности 100%.В действительности фактические достигнутые уровни меньше, но, тем не менее, достигнутые уровни эффективности намного выше, чем у других аналоговых классов.

    Один из первых усилителей класса D для использования звука был представлен Синклером в Великобритании примерно в 1964 году. Хотя концепция была хороша в теории, усилитель не работал особенно хорошо, и когда это было так, усилитель, как правило, вызывал большие количества помех. помех местному радио и телевидению, поскольку меры предосторожности в отношении электромагнитной совместимости в то время обычно не применялись к оборудованию.

  • Усилитель класса G: Класс G – это усилитель, в котором используется несколько источников питания, а не только один. Для сигналов низкого уровня используется источник низкого напряжения, но по мере увеличения уровня сигнала используется источник высокого напряжения. Это постепенно приводится в действие до достижения полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию, поскольку дополнительная мощность используется только тогда, когда она действительно требуется. Изменение как более высокого напряжения питания может быть достигнуто без ущерба для точности выходного сигнала.Таким образом, усилитель может обеспечить как низкие уровни искажений, так и высокий уровень эффективности. Этот подход может быть сложным для разработки с нуля, но при правильной разработке он может хорошо работать. К счастью, сложность проектирования можно уменьшить, если использовать одну из многих аудио ИС, которые используют класс G.

В наши дни разработчику доступно намного больше операционных классов усилителей. Современные кремниевые технологии открыли гораздо больше возможностей, но, несмотря на это, три основных класса усилителей: класс B и класс C, с производным классом AB, который представляет собой нечто среднее между классами A и B, по-прежнему используются наиболее широко.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Классы усилителей мощности (пояснения к усилителям классов A, B, AB, C, D)

В электронике усилитель является наиболее часто используемым схемным устройством с огромными возможностями применения.В электронике, связанной с аудио, предварительный усилитель и усилители мощности – это два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, помимо этой цели, связанной с конкретным приложением, существуют огромные различия в различных типах усилителей, в основном в усилителях мощности. Итак, здесь мы рассмотрим различных классов усилителей , а также их преимущества и недостатки.

Классификация усилителей с использованием букв

Классы усилителей определяют характеристики и характеристики усилителя.Усилители мощности разных типов дают разные отклики при прохождении через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям присваиваются разные буквы или алфавиты, которые представляют их классы. Существуют разные классы усилителей, начиная с A, B, C, AB, D, E, F, T и т. Д. . Из этих классов наиболее часто используемые классы аудиоусилителей – это A, B, AB, C. Другие классы – это современные усилители, которые используют топологию переключения и метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления выходной нагрузкой.Иногда улучшенной версии традиционных классов присваивается буква, чтобы отнести их к другому классу усилителя, например, усилитель класса G является модифицированным классом усилителя класса B или усилителя класса AB.

Классы усилителя представляют собой пропорцию входного цикла, когда ток проходит через усилитель. Входной цикл – это угол проводимости, определяемый синусоидальной волновой проводимостью на входе усилителя. Этот угол проводимости сильно пропорционален усилителям , включенным по времени в течение полного цикла. Если усилитель всегда включен во время цикла, угол проводимости будет равен 360 градусам . Таким образом, если усилитель обеспечивает угол проводимости 360 градусов, тогда усилитель использовал полный входной сигнал, а активный элемент проводился в течение 100% периода времени полного синусоидального цикла.

Ниже мы продемонстрируем традиционных классов усилителей мощности, начиная с класса A, B, AB и C, , а также продемонстрируем усилитель класса D, который широко используется в схемах переключения.Эти классы используются не только в усилителе мощности, но и в схемах аудиоусилителей.

Усилитель класса A Усилитель

класса A – это усилитель с высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью. В случае усилителя класса A угол проводимости составляет 360 градусов. Как мы заявили выше, угол проводимости 360 градусов означает, что усилитель остается активным в течение всего времени и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

Как мы видим на изображении, здесь один активный элемент, транзистор. Смещение транзистора все время остается включенным. Благодаря этой функции никогда не выключаться усилитель класса A обеспечивает лучшую стабильность на высоких частотах и ​​петле обратной связи . Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко сконструировать из одного компонента и минимального количества деталей.

Несмотря на достоинства и высокую линейность, безусловно, имеет множество ограничений.Из-за непрерывной проводимости усилитель класса A имеет большие потери мощности . Также из-за высокой линейности усилитель класса A обеспечивает искажения и шумы. Блок питания и конструкция смещения требуют тщательного выбора компонентов, чтобы избежать нежелательных шумов и минимизировать искажения.

Из-за высоких потерь мощности в усилителе класса A он выделяет тепло и требует большего радиатора. Усилители класса А имеют очень низкий КПД, теоретически КПД варьируется от 25 до 30% при использовании в обычной конфигурации.Эффективность можно повысить, используя конфигурацию с индуктивной связью, но КПД в этом случае составляет не более 45-50%, таким образом, подходит только для целей усиления низкого уровня сигнала или низкого уровня мощности.

Усилитель класса B

Усилитель класса B немного отличается от усилителя класса A. Он создан с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла , то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный токовый привод нагрузки.

На изображении выше показана идеальная конфигурация усилителя класса B. Он состоит из двух активных устройств, которые смещаются одно за другим в течение положительного и отрицательного полупериода синусоидальной волны , и, таким образом, сигнал подталкивается или подтягивается к усиленному уровню как с положительной, так и с отрицательной стороны и объединяет результат, который мы получаем в течение полного цикла. выход. Каждое устройство включается или становится активным половину цикла, и за счет этого КПД повышается, по сравнению с КПД усилителя класса А 25-30%, теоретически он обеспечивает КПД более 60%.Мы можем увидеть график входного и выходного сигнала каждого устройства на изображении ниже. Для усилителя класса B КПД не более 78%. Тепловыделение в этом классе сведено к минимуму, обеспечивая малое пространство для теплоотвода .

Но и у этого класса есть ограничение. Очень серьезным ограничением этого класса является искажение кроссовера . Поскольку два устройства обеспечивают каждую половину синусоидальных волн, которые объединяются и объединяются на выходе, существует несоответствие (переход) в области, где объединяются две половины.Это связано с тем, что, когда одно устройство завершает полупериод, другое должно обеспечивать такую ​​же мощность почти в то же время, когда другое завершает работу. Исправить эту ошибку в усилителе класса А сложно, так как во время активного устройства другое устройство остается полностью неактивным. Ошибка приводит к искажению выходного сигнала. Из-за этого ограничения это серьезный недостаток для применения в прецизионных усилителях звука.

Усилитель класса AB

Альтернативный подход к преодолению перекрестных искажений заключается в использовании усилителя AB .Усилитель класса AB использует промежуточный угол проводимости обоих классов A и B, поэтому мы можем видеть свойство усилителя как класса A, так и класса B в топологии усилителя этого класса AB. Как и класс B, он имеет ту же конфигурацию с двумя активными устройствами, которые проводят половину цикла индивидуально, но каждое устройство имеет смещение по-разному, поэтому они не отключаются полностью в момент непригодности (момент перехода). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидального сигнала, вместо этого они проводят небольшой ввод в течение другого полупериода.Используя эту технику смещения, рассогласование кроссовера в мертвой зоне резко сокращается.

Но в этой конфигурации эффективность снижается из-за нарушения линейности устройств. Эффективность остается выше, чем у типичного усилителя класса A, но ниже, чем у системы усилителя класса B. Кроме того, необходимо тщательно выбирать диоды с одинаковым номиналом и размещать их как можно ближе к выходному устройству.В некоторых схемных конструкциях разработчики стремятся добавить резистор небольшого номинала, чтобы обеспечить стабильный ток покоя на устройстве, чтобы минимизировать искажения на выходе.

Усилитель класса C

Помимо усилителя классов A, B и AB, существует еще один усилитель класса C. Это традиционный усилитель, который работает иначе, чем усилители других классов. Усилитель класса C – это настроенный усилитель, который работает в двух разных рабочих режимах, настроенном или ненастроенном. Эффективность усилителя класса C намного выше, чем у усилителя A, B и AB. Максимальный КПД 80% может быть достигнут при работе с радиочастотами

Усилитель

класса C использует угол проводимости менее 180 градусов. В ненастроенном режиме секция тюнера не включается в конфигурацию усилителя. В этой работе усилитель класса C также дает огромные искажения на выходе.

Когда на схему воздействует настроенная нагрузка, она ограничивает уровень выходного смещения со средним выходным напряжением, равным напряжению питания.Настроенная операция называется фиксатором . Во время этой операции сигнал приобретает правильную форму, а центральная частота становится менее искаженной.

При типичном использовании усилитель класса C дает КПД 60-70%.

Усилитель класса D Усилитель

класса D – это коммутирующий усилитель, использующий широтно-импульсную модуляцию или ШИМ. В этом случае угол проводимости не имеет значения, так как прямой входной сигнал изменяется с переменной шириной импульса.

В этой системе усилителей класса D линейное усиление не допускается, поскольку они работают так же, как обычный переключатель, который имеет только две операции: ВКЛ или ВЫКЛ.

Перед обработкой входного сигнала аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов с помощью различных методов модуляции, а затем подается в систему усилителя. Поскольку длительность импульсов связана с аналоговым сигналом, он снова восстанавливается с использованием фильтра нижних частот на выходе.

Усилитель класса D – это усилитель класса с наивысшим КПД в сегментах A, B, AB, а также C и D.Он имеет меньшее тепловыделение, поэтому необходим небольшой радиатор. Схема требует различных переключающих компонентов, таких как полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но мы должны иметь в виду, что это не цифровой преобразователь. Хотя для более высоких частот усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения по полосе пропускания в зависимости от возможностей фильтра нижних частот и модуля преобразователя.

Усилители других классов

Помимо традиционных усилителей, есть еще несколько классов: класс E, класс F, класс G и H.

Усилитель класса E – это высокоэффективный усилитель мощности, использующий топологию переключения и работающий в радиочастотах. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основными компонентами, используемыми с усилителем класса E.

Class F – усилитель с высоким сопротивлением гармоник.Он может управляться прямоугольной или синусоидальной волной. Для входа синусоидальной волны этот усилитель может быть настроен с помощью катушки индуктивности и может использоваться для увеличения усиления.

Класс G использует переключение шин для снижения энергопотребления и повышения эффективности. А Class H – это дальнейшая улучшенная версия Class G.

Дополнительные классы – усилители специального назначения. В некоторых случаях буквы предоставляются производителем для обозначения их патентованного дизайна.Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является товарным знаком особого типа переключающего усилителя класса D, используемого в технологиях усилителей Tripath и являющихся запатентованной конструкцией.

Усилитель класса A смещения

  • Изучив этот раздел, вы сможете описать:
  • Причины смещения постоянного тока в усилителях.
  • Преимущества и недостатки Смещение класса А.
  • Простой общий эмиттер с фиксированным смещением постоянного тока.
  • • Использование входных характеристик.
  • • Условия покоя.
  • • Предотвращение искажений с помощью правильного смещения.
  • • Выходные характеристики.
  • • Грузовая марка.
  • • Основные расчеты фиксированного смещения.
  • Стабилизация смещения.
  • • Смещение коллектора.
  • • Базовые сети смещения.
  • • Стабилизация излучателя.
  • • Использование эмиттерных байпасных конденсаторов.
  • Смещение полевого транзистора.

Общее соединение усилителя

Транзисторы в усилителях обычно используют один из трех основных режимов подключения. Транзистор имеет три соединения (коллектор, база и эмиттер), в то время как для входа и выхода схемы усилителя требуется по два соединения, всего четыре, поэтому одно из трех соединений транзистора должно быть общим для входа и выхода.Выбор коллектора, базы или эмиттера как общего для входа и выхода оказывает заметное влияние на работу транзисторного усилителя. В этом разделе описывается смещение транзистора в режиме общего эмиттера, наиболее часто используемом из трех режимов подключения усилителей напряжения.

Смещение класса A

Усилители

класса A смещены напряжением постоянного тока, приложенным к переходу база-эмиттер транзистора, так что их рабочая точка покоя (или отсутствия сигнала) находится на линейной части характеристик транзистора.Кроме того, форма сигнала, подаваемого на базу, не должна приводить транзистор к насыщению или отключению. Если бы это произошло, это привело бы к сглаживанию пиков формы волны, вызывая искажения. При смещении класса A напряжение коллектора поддерживается примерно на уровне половины напряжения питания, однако это означает, что транзистор постоянно пропускает ток коллектора, даже когда сигнал не подается, поэтому мощность тратится впустую, и хотя класс A обеспечивает очень низкий искажения, он также относительно неэффективен в использовании мощности.

Теоретический максимальный КПД усилителя класса A составляет 50%, но на практике этот показатель будет ближе к 25%. Основное применение смещения класса A – это маломощные усилители аудио и радиочастотного напряжения, где количество потерянной мощности менее значимо, чем основное преимущество усилителя – низкие искажения. Однако класс A может также использоваться для усилителей мощности с низким уровнем искажений в аудиосистемах Hi-Fi с питанием от сети (от сети), где эффективность менее важна.

Фиксированное смещение общего эмиттера

Рис 1.2.1 Простое смещение общего эмиттера.

Усилители необходимы в большинстве единиц электронного оборудования не только для воспроизведения звука и изображения, но также в системах управления и связи. Конструкция усилителей направлена ​​на создание схемы, которая имеет прогнозируемый коэффициент усиления в определенной полосе частот с минимальными искажениями. Усилитель также должен быть устойчивым и не подверженным колебаниям. Биполярные транзисторы PNP или NPN или полевые транзисторы могут использоваться в самых разных конструкциях в зависимости от их предполагаемого назначения.

Рассмотрим простой биполярный усилитель с общим эмиттером NPN, показанный на рис. 1.2.1, состоящий из транзистора и двух резисторов. Для правильной работы усилитель должен выдавать на своем выходе усиленную версию сигнала на входе без искажений. Для этого сначала должны быть правильными его условия покоя или отсутствия сигнала (DC). Его выход может быть неискаженным, только если его вход неискажен.

Использование входных характеристик.

Рис. 1.2.2 Входные характеристики.

На рис. 1.2.2 показана типичная кривая входных характеристик для транзистора усилителя небольшого сигнала, где изменения базового напряжения V b нанесены на график в зависимости от результирующих изменений базового тока I b .

Если изменения в сигнальном напряжении переменного тока (изменения в V b ), приложенные к базе, должны произвести пропорциональные изменения в базовом переменном токе I b , тогда необходимо использовать некоторое значение постоянного тока V B , чтобы положительное и отрицательные скачки напряжения сигнала возникают только на линейной части входной кривой (форма сигнала b на рис.1.2.2). Это постоянное напряжение (0,7 В на рис. 1.2.2), приложенное к базе, называется напряжением смещения базы. Из рисунка 1.2.2 видно, что если напряжение смещения недостаточно, то только положительные выводы формы волны входного напряжения будут производить базовый ток, и, следовательно, в форме волны базового тока a будут возникать серьезные искажения.

Также можно увидеть, что для этого транзистора напряжение смещения базы постоянного тока (R B ) 0,7 В создает ток покоя (постоянный ток) в 40 мкА. Эти значения устанавливаются правильным выбором значения сопротивления для R B (рис.1.2.1).

Установка выходных условий покоя

Необходимо также учитывать условия покоя на выходе , поскольку базовый ток покоя I b будет производить ток покоя коллектора I c , который будет зависеть от значения I b и коэффициента усиления по току h fe транзистора. Кроме того, поскольку I c протекает через нагрузочный резистор (R L ), он создает разность потенциалов на R L , которая при вычитании из напряжения питания (V cc ) дает значение коллектора транзистора / напряжение эмиттера ( ВС ).

Рис. 1.2.3 Условия неправильного смещения.

На рис. 1.2.3 показаны два экстремальных условия для значений I c и V ce . В первом случае (рис. 1.2.3a) можно увидеть, что если ток коллектора I C равен нулю, из-за того, что базовое напряжение достаточно низкое, чтобы отключить базовый ток, напряжение на R L будет равно нулю, и весь V cc будет развиваться через транзистор, поэтому V ce повысится до напряжения питания V cc .

Если сигнал подается в этих условиях (рис. 1.2.3a), положительные полупериоды выходного сигнала (который находится в противофазе к форме волны напряжения на базе) не могут заставить V ce подняться больше, чем V cc , и поэтому положительные полупериоды напряжения коллектора не будут воспроизводиться, вызывая серьезные искажения.

В качестве альтернативы, если I c очень высокое (рис. 1.2.3b) из-за чрезмерного смещения базы, транзистор будет в состоянии насыщения, и V ce упадет почти до нуля.Поскольку напряжение коллектора не может упасть ниже 0 В, отрицательные полупериоды выходного сигнала будут потеряны. Отсюда следует, что для воспроизведения полной формы сигнала на коллекторе идеальное значение покоя для V ce будет примерно посередине между V cc и нулевым вольт. Это позволит воспроизводить максимальные амплитуды как положительных, так и отрицательных полупериодов выходной волны без искажений.

Использование выходных характеристик

Рис.1.2.4 Выходные характеристики и нагрузка.

В выходных характеристиках, показанных на рис. 1.2.4, изменения I c показаны в зависимости от изменений V ce для различных постоянных базовых токов I b .

«Линия нагрузки» проведена на рис. 1.2.4 между двумя крайними точками, описанными на рис. 1.2.3.

Точка P – это где V CE = V cc (что в данном случае равно 10 В) и I c = ноль, и поскольку токосъемник не течет, транзистор называется «отключенным».

Точка R – это максимальное значение I c (где I c = V cc ÷ R L ), а V ce равно нулю (потому что практически весь V cc развивается через R L ). Это называется «насыщением», поскольку дальнейшего увеличения тока коллектора не произойдет.

Если линия нагрузки проведена от P к R, можно увидеть, что значение V ce может быть выбрано на полпути вдоль линии нагрузки в точке Q, которая в этом случае совпадает с кривой для I B .

Вертикальная линия, проецируемая вниз от Q, затем пересекает ось V CE на полпути между V cc и нулем, а горизонтальная линия, проецируемая из Q, пересекает ось I C , давая значение покоя 8 мА.

Из указанных значений V Cce и IC теперь можно рассчитать значение для R L , используя:

R L = (V cc – V ce ) ÷ I c

Итак, используя линию нагрузки в точке Q (или любой другой точке с другими парами значений):

R L = (10-5) ÷ 8 x10 −3 = 625 Ом

Смещение усилителя так, чтобы рабочая точка находилась в центре линейной части характеристических кривых транзистора, называется «смещением класса А».

Пример:

Разработайте условия фиксированного смещения постоянного тока для простого усилителя с общим эмиттером класса A, показанного на рис. 1.2.1, при напряжении питания (V cc ) 10 В с использованием транзистора с общим коэффициентом усиления по току эмиттера (h fe ) из 200.

Исходя из входных характеристик (рис. 1.2.3) I b должен быть 40 мкА, что указывает на значение для V , равное 0,7 В.

Следовательно:

R b = (V cc – V be ) ÷ I b

= (10-0.7) ÷ 40 мкА = 232,5 кОм

Потому что в практической схеме будет выбрано ближайшее предпочтительное значение для базового резистора R b , чтобы R b = 220 кОм.

Поскольку выбран базовый ток 40 мкА, а транзистор h fe равен 200:

I C = I b x h fe = 40 мкА x 200 = 8 мА

Если ток коллектора (I c ) 8 мА достаточен для падения напряжения V ce до 5 В (половина от V cc ), то 16 мА приведут к падению напряжения V ce практически до нуля и насыщению транзистора.Следовательно, 16 мА будет точкой R на линии нагрузки.

Поскольку напряжение покоя коллектора должно составлять 5 В (половина V cc ), а напряжение на R L также составляет 5 В, можно рассчитать значение R L , чтобы получить правильные условия в точке Вопрос:

R L = V RL ÷ I c = 5 В ÷ 8 мА = 625 Ом

или приблизительно 680 Ом (следующее более высокое предпочтительное значение резистора).

Проблемы с конструкцией с фиксированным смещением.

Хотя конструкция, описанная на рис. 1.2.1, проста и требует минимума компонентов, существуют некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть для практического использования.

Если по какой-либо причине изменится напряжение питания или температура транзистора, изменится и напряжение смещения. Если напряжение смещения увеличивается, то будет протекать больший базовый ток, что приведет к увеличению тока коллектора. Это, в свою очередь, вызовет повышение температуры перехода внутри транзистора и, следовательно, дальнейшее увеличение тока.Тогда транзистор будет пропускать еще больший ток, вызывая дальнейшее повышение температуры и так далее.

Конечным результатом этого процесса, называемого «тепловым разгоном», является то, что транзистор будет становиться все горячее и горячее, пока не будет разрушен. Несмотря на то, что для современных силовых транзисторов тепловой разгон представляет собой гораздо меньшую проблему, для малых типов сигналов он все же представляет собой возможную опасность, которую следует избегать, встроив в конструкцию усилителя некоторую форму стабилизации смещения.

Стабилизация постоянного тока

Рис.1.2.5 Смещение коллектора.

Рис. 1.2.6 Стабилизация излучателя

На рис. 1.2.5 показан простой метод улучшения температурной стабилизации усилителя с общим эмиттером. Вместо подачи тока смещения от V cc он подается от конца коллектора R L .

При таком расположении любое увеличение тока коллектора вызовет увеличение разности потенциалов на R L и, поскольку верхняя часть R L удерживается стабильным с помощью V cc , напряжение коллектора V cc при низ R L должен упасть.Это, в свою очередь, приведет к падению напряжения V на значение и уменьшению тока коллектора. Условия смещения в значительной степени регулируются автоматически и, как говорят, стабилизируются с помощью обратной связи по постоянному току.

Стабилизированное смещение эмиттера

Альтернативная и гораздо более распространенная схема смещения, используемая в большинстве коммерческих схем, использует делитель потенциала, состоящий из двух резисторов (R 1 и R 2 на рис. 1.2.6), чтобы обеспечить постоянное значение V = и эмиттерный резистор R e для обеспечения стабилизации с помощью обратной связи по постоянному току.

Если ток коллектора в этой цепи увеличивается, то увеличивается и ток эмиттера, что вызывает повышение напряжения эмиттера V e . Это повышение по сравнению с постоянным напряжением базы вызывает уменьшение напряжения база-эмиттер V до и последующее падение тока коллектора. Обратная связь по постоянному току с использованием стабилизирующего резистора эмиттера поддерживает стабильные условия схемы, когда другие условия (например, температура или температура транзистора h fe ) могут измениться.

Однако резистор эмиттера также вызовет нежелательную обратную связь по переменному току, потому что в условиях сигнала форма сигнала переменного тока, появляющаяся на эмиттере, будет синфазна с формой сигнала базы, и две формы сигнала, изменяющиеся вместе, будут иметь тенденцию уменьшать вариации напряжения база-эмиттер, вызывая существенное снижение прироста.Чтобы избежать этой проблемы, обычно резистор стабилизации эмиттера R e шунтируется (обычно) конденсатором большой емкости, подключенным к R E , который формирует путь с очень низким импедансом для любого присутствующего сигнала переменного тока, предотвращая любой переменный ток. появляется на эмиттере, но без изменения каких-либо условий постоянного тока.

Смещение полевого транзистора

Рис. 1.2.7 Смещение полевого транзистора.

Смещение полевых транзисторов проще, чем в биполярных схемах, поскольку ток затвора (входной) не течет.На рис. 1.2.7 показана типичная схема смещения полевого транзистора. (МОП-транзисторы также используют аналогичную схему смещения).

При использовании в режиме истощения затвор полевого транзистора должен быть более отрицательным, чем источник. Это достигается поддержанием нулевого напряжения на затворе, в то время как ток стока / истока через резистор R 3 делает вывод истока положительным. Поскольку ток затвора не протекает в полевых транзисторах, напряжение на резисторе R 1 не может развиваться, а на затворе остается нулевое напряжение. Использование очень высокого значения для R 1 поддерживает очень высокий входной импеданс, который является полезным свойством усилителей на полевых транзисторах.

Сигнал переменного тока, приложенный к затвору, вызовет небольшие изменения напряжения затвора выше и ниже нуля, что вызовет изменения переменного тока в токе сток-исток, и, как в биполярном усилителе, они преобразуются в изменения напряжения с помощью R 2 . Истоковый резистор R 3 выполняет стабилизацию постоянного тока таким же образом, как и эмиттерный резистор в биполярном усилителе, и также обычно шунтируется, чтобы предотвратить отрицательную обратную связь по переменному току.

Верх страницы

Описание усилителей класса A

Описание усилителей класса A

Усилители
Продукты Elliott Sound класса A – краткое описание

© 1999 Род Эллиотт (ESP)
Последнее обновление страницы 2 апреля 2005 г.


Указатель статей
Основной индекс
Класс-A Часть 2

Введение

Недавно произошло возрождение двух «древних» технологий – ламповых (ламповых) усилителей и систем класса А.Большой вопрос … есть ли разница? Это обсуждение сосредоточено на усилителе класса A и объясняет (или пытается), чем он отличается от обычного усилителя мощности.

Зачем кому-то создавать или покупать усилитель, который ооочень неэффективен? Усилитель мощности класса A обычно потребляет от 1/2 до примерно 1,5 пикового тока динамика в состоянии покоя (т.е. пока он просто сидит и ничего не делает).

Для сравнения, для жалких 8 Вт на 8 Ом среднеквадратичный ток составляет 1 А.Пиковый ток составляет чуть более 1,4 ампер, поэтому типичный 8-ваттный усилитель класса A потребляет непрерывно от 700 мА до 2 ампер. Это соответствует рассеиваемой мощности в состоянии покоя (без сигнала) от 17 до 48 Вт при напряжении питания 24 В (+/- 12 В). В лучшем случае такой усилитель будет иметь КПД менее 35% при полной мощности – в худшем – 15% или меньше.

Основная предпосылка усилителя класса A заключается в том, что выходное устройство (устройства) должны постоянно проводить (через 360 градусов) форма сигнала).Это означает, что в простейшей форме силовые устройства должны проводить непрерывный ток, который превышает максимальный пиковый ток нагрузки (громкоговоритель). Если использовать для всех дальнейших расчетов уровень мощности 20 Вт (вряд ли электростанция), то можно увидеть полную картину.

Напротив, выходные устройства типичного усилителя мощности класса AB проводят ток только примерно на 182 градуса (при полной мощности), что означает, что большую часть длительности сигнала проводит только одно или другое устройство. Другой выключен.Так часто упоминаемое «кроссоверное искажение» не имеет ничего общего с делителем частоты в акустической системе, а создается, когда сигнал «пересекает» точку 0 В (см. Рисунок 3).


Рисунок 1 – Цикл синусоидальной волны

Давайте кратко рассмотрим некоторые «классы» усилителей мощности, чтобы у нас была вся информация:

  • Класс-A Выходные устройства выполняют 360 градусов входного цикла (никогда не выключаются) – Возможно одно выходное устройство.Устройство (а) проводят для всей формы волны на Рисунке 1.
  • Класс-B Выходные устройства проводят на 180 градусов (1/2 входного цикла) – для аудио необходимо использовать два выходных устройства в двухтактном режиме (см. Класс-AB)
  • Class-AB На полпути (или частично) между двумя приведенными выше примерами (обычно от 181 до 200 градусов) – также требуется двухтактная операция для звука. Проводимость каждого выходного устройства показана на рисунке 1.
  • Класс-C Выходное устройство (а) ведет себя под углом менее 180 градусов (обычно от 100 до 150 градусов) – обычное для радиочастот – обычно не может использоваться для звука! Этот звук слышен, когда один из выходные устройства в аудиоусилителе имеют разрыв цепи! См. Рисунок 1, на котором показано время, в течение которого устройство вывода проводит (предполагается несимметричный режим, и да, это работает для RF).

    Когда я впервые написал эту статью, я полностью забыл о четырехканальном усилителе «Current-Dumping», в котором используется «хороший» маломощный усилитель с двухтактным усилителем класса C для подачи высоких частот. токи, необходимые для большой мощности. Хотя они пользовались значительной популярностью, похоже, они исчезли. Об их существовании мне напомнила статья Дугласа Селфа («Классовое различие», в мартовский выпуск журнала Electronics World за 1999 г.), в котором он совершенно справедливо указывает, что нынешний самосвал (по крайней мере частично) относится к классу C.

  • Класс D Квазицифровое усиление. Использует широтно-импульсную модуляцию высокочастотной (прямоугольной) несущей для воспроизведения аудиосигнала – хотя мои первоначальные комментарии были действительны. когда это было написано, с тех пор произошли очень значительные успехи. Сейчас производится несколько очень хорошо звучащих усилителей класса D, и они достойны отдельной статьи.

Существует множество топологий усилителей, о которых я не упоминал выше, в основном потому, что большинство из них либо слишком причудливы, не заслуживают комментариев, либо слишком сложны для простого объяснения.Из них Class-G и Class-H используют переключение и модуляцию источника питания (соответственно). Это обеспечивает больший, чем обычно, КПД и меньшее рассеивание, но оба они по сути являются конструкциями класса AB.

Хотя многие аудиоусилители можно назвать Классом B, обычно это не так. Практически все без исключения они относятся к классу AB, хотя большинство из них находится на нижнем конце (проводимость, возможно, составляет 181 ° для каждого устройства). Большинство усилителей мощности работают в классе A до примерно 5-10 мВт, после чего они переходят в класс B.Отличная мощность класса А до более высокой, на 500 мВт и более.

В отделе устройств. В оставшейся части этой статьи я буду использовать биполярные транзисторы для силовых устройств, поскольку они обладают очень желательными характеристиками для этого приложения. Они также намного более линейны, чем полевые МОП-транзисторы, и некоторые из новых биполярных устройств являются выдающимися в этом отношении. Обратите внимание, что обычно используются два типа полевых МОП-транзисторов – боковые устройства предназначены для аудио, и хотя они менее линейны, чем биполярные транзисторы, они действительно могут сделать очень хороший усилитель (см. Проект 101).Полевые МОП-транзисторы с переключением мощности (IMHO) не подходят для использования в аудио, за исключением случаев, когда требуется очень высокая мощность и не требуется экстремальная линейность.

Мощность 20 Вт (непрерывная)
Напряжение нагрузки (на динамике) 12,65 В RMS (пиковое 17,9 В)
Ток нагрузки (через динамик) 9011 А 7 1,53 А (пиковый) )
Напряжение питания +/- 20 В (постоянное)
Ток питания +/- 2.25 А (пик)
Таблица 1 – Требования к усилителю класса A (прибл.) – нагрузка 8 Ом

При разработке усилителя нас интересуют пиковое напряжение и ток, поскольку, если они не соблюдаются, требуемые среднеквадратичные значения не могут быть достигнуты. Отношение среднеквадратичного значения к пику (для синусоидальной волны) представляет собой квадратный корень из 2 (1,414), поэтому значения среднеквадратичного значения необходимо умножить на эту константу, чтобы получить пиковые значения напряжения и тока. (См. Рисунок 1, чтобы увидеть соотношение между пиковым и среднеквадратичным напряжением.)

Так были определены значения в таблице. Напряжение питания должно быть немного выше, чем фактическое пиковое напряжение динамика, потому что выходные устройства (транзисторы) не идеальны, и некоторое напряжение будет потеряно даже при их полном включении. (Если использовать полевые МОП-транзисторы, потери могут быть намного больше, если не используется дополнительный источник питания.)

Ок. Мы определили, что пиковый ток динамика составляет 2,25 А, поэтому в простейших конструкциях класса A для этого потребуется ток покоя, равный 2.25 ампер. Учитывая, что напряжение составляет ± 20 Вольт, это означает, что выходной каскад мощности должен будет рассеивать 40 × 2,25 = 90 Вт (45 Вт на устройство вывода).


Рисунок 2 – Базовые усилители класса A

На рис. 2 показано, как может выглядеть простой усилитель класса А. Источник тока (левая цепь) представляет собой простую схему, которая обеспечивает постоянный ток независимо от нагрузки на его выходе. Выходной транзистор «сбрасывает» любой ток, который не нужен нагрузке (динамику), поэтому, когда он полностью выключен, весь выходной ток источника тока проходит через динамик.И наоборот, когда транзистор включен, ток динамика протекает через выходной транзистор (а также ток от источника тока!), Поэтому его ток будет варьироваться от почти 0 ампер до максимальных 4,5 ампер для нашего примера. Когда нет входного сигнала, ток выходного транзистора должен точно соответствовать выходному току источника тока. В противном случае разница вызовет смещение постоянного тока, вызывающее асимметричное ограничение. Допускается (вообще говоря), чтобы на клеммах громкоговорителей присутствовал абсолютный максимум 100 мВ постоянного тока – это равно 1.67 мВт постоянного тока для системы с сопротивлением 8 Ом, при условии, что сопротивление звуковой катушки постоянному току составляет 6 Ом. (Мощность = В² / Импеданс). Конденсатор в выходной цепи снижает это значение почти до нуля.

Когда используется индуктор, общий КПД схемы повышается. Катушка индуктивности является реактивным компонентом, поэтому она «высвобождает» накопленную энергию при частичном выключении транзистора. Другое преимущество катушки индуктивности состоит в том, что размах выходного напряжения удваивается при том же напряжении питания. Недостатком (конечно) является то, что индуктор большой, тяжелый и должен иметь воздушный зазор, чтобы сердечник не насыщался из-за составляющей постоянного тока.Ток покоя через транзистор и катушку индуктивности должен быть таким же, как пиковый ток нагрузки. Например, при питании 20 В и нагрузке 8 Ом ток покоя должен составлять 2,5 А для обеспечения линейной работы. Эта схема была распространена в ранних гибридных (ламповых и транзисторных) автомобильных радиоприемниках.

Эти простые модели не подходят для общего использования, так как они тратят слишком много энергии, хотя во многих усилителях класса A по-прежнему используется принцип индуктивности (в ламповых усилителях SET (несимметричный триод) используется трансформатор вместо индуктора, но принцип без изменений).Многие другие усилители класса A используют текущую версию источника, но эффективность может достигать максимум 25%.

Следующим шагом является управление источником тока примерно на 1/2 пикового тока динамика и модуляция его выходного тока, чтобы гарантировать, что и источник тока, и выходное устройство усилителя мощности проводят в течение всего цикла сигнала, но могут изменять их ток соответствующим образом. Это повышает эффективность (которая остается ужасной, но немного меньше) и снижает рассеиваемую мощность до более приемлемого уровня.

Простой усилитель класса A, описанный Джоном Л. Линсли-Худом, и очень похожий на вид усилитель Death of Zen (DoZ) на этих страницах используют этот последний подход, и это разумный вариант различных конструкций класса A. Например, усилителю потребуется всего (?) Рассеивать около 50 Вт в режиме ожидания, так как ток покоя снижается примерно до 1,2 А.

Другая версия усилителя класса A выглядит точно так же, как стандартный усилитель мощности класса AB (класс B), за исключением того, что ток покоя увеличивается до чуть более 1/2 от пикового тока динамика.Некоторые думают, что это не «настоящий» усилитель класса А. Это – это настоящий класс A , и его лучше всего описать как двухтактный (в отличие от одностороннего). Если ток смещения недостаточно высок для фактической реактивной нагрузки динамика (а не для указанной номинальной резистивной нагрузки), все же возможно, что один или другой транзистор отключится в какой-то части цикла сигнала. Это произойдет при гораздо более высоком уровне мощности, чем обычно, но если это произойдет, то усилитель перестанет соответствовать классу A.

В качестве дополнения к вышесказанному можно разработать усилитель, который будет очень похож на обычный усилитель класса AB, но с дополнительной схемой, смещенной таким образом, что выходные транзисторы никогда не отключаются. Этот метод также можно использовать с Class-AB и предположительно уменьшает искажения кроссовера. Я не использовал этот метод, так как, по моему опыту, кроссоверные искажения в хорошо спроектированном выходном каскаде должны быть достаточно низкими, чтобы не было необходимости в дополнительной сложности.Project 3B почти идентичен Project 3A, за исключением того, что ток покоя увеличен, поэтому усилитель работает в классе A.

Последние три «варианта» вызывают модуляцию тока в каждой шине питания, так что это не постоянный ток, который ожидается от усилителя класса A, а форма волны, которая изменяется в зависимости от сигнала. При правильной конструкции и смещении выходные устройства всегда работают, но блок питания должен выдерживать переменную нагрузку. Я не исследовал это полностью, но это может немного усложнить конструкцию источника питания из-за переменного тока нагрузки.Тесты, которые я провел с усилителем DoZ, не показали какого-либо слышимого влияния на качество звука – при условии, что источник питания рассчитан на работу с вариациями без каких-либо проблем.

На самом деле идея о том, что усилитель класса A потребляет постоянный постоянный ток от источника питания, верна только в одном случае . Несимметричный усилитель, использующий источник тока в качестве нагрузки коллектора, будет потреблять непрерывный установившийся ток, но только , если он использует однополярный источник питания. В случае двойного источника питания один и тот же усилитель будет потреблять непрерывный ток от одного источника и переменный ток от другого.(Я благодарю Джеффа Мосса за указание на это – деталь, о которой когда-либо упоминали немногие опубликованные проекты!)

Усилитель, который использует фиксированный источник тока (скажем) 2,5 А от положительного источника питания, будет потреблять 2,5 А независимо от нагрузки или уровня сигнала, но только от положительного источника питания. Отрицательный ток питания будет изменяться от 2,5 А при отсутствии сигнала, но будет почти равен нулю при максимальном положительном размахе, когда нижний транзистор выключен, и ток течет от источника тока к нагрузке.При максимальном размахе отрицательного сигнала отрицательный ток питания будет почти в два раза больше тока покоя, поскольку нижний транзистор теперь несет ток как от нагрузки , так и от источника тока .

На эту «маленькую» деталь, кажется, мало ссылались ни в одной из статей, которые я читал, но она будет иметь очень большое значение для источника питания. В этом отношении я не считаю, что односторонняя версия должна работать от двойного источника питания. Если для вас так важно исключить конденсатор связи, я предлагаю либо использовать двухтактную конструкцию класса A, либо создавать отдельные источники питания для каждой полярности.

Есть некоторые свидетельства (я снова обращаюсь к Дагу Селфу), указывающие на то, что искажения «настоящего» усилителя класса AB часто будут хуже, чем у усилителя класса B, поскольку переходные процессы переключения больше из-за более высокий коэффициент усиления выходных устройств при умеренных (от 0,5 до 1,5 А) токах. Мне не удалось это проверить, и проведенные мною тесты показывают, что есть определенные преимущества в более высоких токах покоя, при условии, что ток выбран достаточно тщательно.

Одна из самых больших проблем усилителей класса A заключается в том, что простой источник питания, используемый с обычными усилителями класса AB, обычно нам не подходит.Причина в том, что пульсации переменного тока на шинах питания постоянного тока вводятся в усилитель и проявляются в виде гула (с частотой 120 или 100 Гц, в зависимости от местоположения – США или где-либо еще, соответственно). Величина этой пульсации намного больше, чем у усилителя класса AB, потому что значительный ток потребляется все время, а не во время пиков сигнала (и т. Д.). Источник питания, обеспечивающий пульсации холостого хода около 50 мВ для усилителя класса AB, может иметь пульсации 1 В (или более) при токе 1,2 А.Это будет слышно при низком уровне сигнала.

Добавление емкости помогает, но к тому времени, когда пульсация снизится до разумного уровня, вы продали машину, чтобы заплатить за конденсаторы, и у вас больше нет автомобиля, чтобы отвезти их домой. Вам понадобится невероятное количество емкости для получения разумных уровней шума (отношение сигнал / шум> 70 дБ), если не используется регулируемый источник питания. Дело в том, что многие усилители мощности класса A не имеют особенно хорошего отклонения источника питания (хорошо, в целом это не так уж плохо, но не может конкурировать с подобными операционным усилителям), и для всех таких рекомендуется стабилизированный источник питания. усилители.Если вам интересно, это действительно означает, что вам нужно больше транзисторов, больше радиаторов, и это будет стоить больше денег. Такова цена, которую мы платим за совершенство.

Существует альтернатива (которую я не пробовал для этого приложения, но проводил многочисленные симуляции специй), называемый умножителем емкости, который проще и дешевле, чем регулируемый источник питания, но должен быть способен снизить пульсации до очень низкого уровня. уровни. Я получил несколько электронных писем от читателей, которые создали проект по умножителю емкости (см. Страницу «Проекты»), и результаты были очень положительными, так что это делает идею класса A гораздо более привлекательной с точки зрения затрат и тепла.(Умножители емкости не требуются для регулирования, поэтому работайте с гораздо меньшим входным и выходным дифференциальным напряжением – следовательно, меньше нагрева!) Действительно, в конструкции Джона Линсли-Гуда, упомянутой на этих страницах, используется умножитель емкости, хотя его производительность может быть ниже. резко улучшилось.


Конструкции усилителя класса A Джона Л. Линсли-Гуда (и другие)
Источник питания простого умножителя емкости

Решения, решения

Теперь вопрос – действительно ли этот то, что я хочу сделать? Ответ может быть громким да (в конце концов, нет веских причин, по которым усилитель класса AB не может быть таким же хорошим), но чтобы быть разумными, мы должны применить усилитель класса A для твитеров в системы и используйте обычные усилители класса AB для низких и средних частот.Чтобы получить адекватный уровень звукового давления, большинству современных динамиков требуется большая мощность, поскольку они не очень эффективны (т.е. электрическая мощность по сравнению с выходной мощностью).

Вместо того, чтобы расширять эту страницу до краткого учебника по этому предмету, я оставлю вам упрощенную модель, которую я создал для читателя, у которого была акустическая система, которая была даже менее эффективной, чем обычно. В таблице показана мощность, необходимая для достижения различных пиковых значений SPL (на одном метре) для динамика с эффективностью 85 дБ / м / Вт.Исходя из чувствительности этих динамиков, ниже показано примерно то, что вы можете ожидать, исходя из одного усилителя для ясности (т.е. не двухканального или трехканального):

512 SPL

Это по большей части не очень хорошие новости, поскольку ясно показывает, что для достижения реалистичного уровня звукового давления в типичной среде прослушивания требуется огромное количество энергии. Помните, что показанные цифры находятся на расстоянии всего одного метра – уровень звукового давления будет падать еще на 6 дБ каждый раз, когда расстояние удваивается. (Имейте в виду, что это теоретическая цифра, которая обычно не встречается на практике – возможно, 5 дБ были бы ближе к истине?)

Реалистичное звуковое давление в этом контексте само по себе достойно страницы (книги?), Но помните, что для среднего уровня звукового давления (скажем) 85 дБ переходные процессы потребуют от 10 до 20 дБ запаса по мощности.Это означает, что необходимая пиковая мощность будет в 10–100 раз больше мощности, необходимой для воспроизведения среднего значения 85 дБ. На расстоянии 2 метра для этого примера потребуется около 3 Вт. Для воспроизведения переходных процессов фактическая необходимая мощность должна составлять от 30 до 300 Вт!

На случай, если вам интересно, уровень звукового давления 85 дБ не является громким (хотя тот, кому нужно подчиняться, почти наверняка не согласится). Фактически, он лишь ненамного громче (примерно на 5 дБ), чем признанный оптимальный уровень для нормальной речи.


Преимущества класса A

Поскольку усилители класса A неэффективны, выделяют много тепла и требуют гораздо более сложного источника питания, чем обычные усилители класса AB, должны быть некоторые веские причины для использования такой схемы. Во-первых, простота схемы. В свете вышеизложенного схема не проста, но для аудиосигнала она может быть гораздо менее сложной, чем для обычного усилителя мощности.

Преимущество этого заключается в том, что сигнал подвергается сравнительно небольшому усилению, что приводит к разомкнутому контуру (т.е.е. без обратной связи), которое, как правило, довольно низкое – вероятно, менее 250 (48 дБ) и, возможно, всего около 50 (34 дБ). Это означает, что используется очень мало общей обратной связи, поэтому стабильность и фаза должны быть превосходными на звуковых частотах. Хорошо спроектированный усилитель класса A не требует какой-либо частотной компенсации (или очень небольшой), поэтому коэффициент усиления разомкнутого контура будет оставаться достаточно постоянным во всем звуковом диапазоне. Это может привести к превосходной переходной характеристике и резко снизить «переходные интермодуляционные искажения» (или TID, также известные как динамические интермодуляционные искажения), которые, по мнению многих разработчиков, вызваны фазовыми и временными задержками между входным сигналом и сигналом обратной связи.Возможно, это и есть причина, хотя наличие TID практически равно нулю в любом грамотно спроектированном усилителе.

Простой факт заключается в том, что чем больше усилительных устройств вводится в цепь, тем больший фазовый сдвиг должен быть внесен. Ни одно усилительное устройство не способно мгновенно реагировать на изменение входа – все они имеют некоторую внутреннюю задержку (которая обычно включает разное время включения и выключения). При меньшем количестве устройств в аудиосхеме должна быть меньшая задержка между изменением входа, вызывающим изменение выхода.Упрощенная топология, используемая для большинства усилителей класса A, также может использоваться с классом AB – часто действительно с очень хорошими результатами.


Рисунок 3 – Кроссовер искажений

На рис. 3 показан кроссовер усилителя типа B. Это преувеличено для ясности, и для сравнения включен «чистый» сигнал. Как можно видеть, когда сигнал уменьшается, отношение искажения к сигналу становится намного хуже, что приводит к увеличению искажения при уменьшении мощности.Действительно, это именно то, что происходит во многих усилителях, но обычно это «затоплено» такой обратной связью, что кажется, что она исчезает. Из диаграммы видно, что для появления этого кроссоверного искажения коэффициент усиления усилителя должен падать, когда уровень сигнала приближается к 0 вольт. Действительно, коэффициент усиления контура усилителя на самом деле равен , уменьшенному до нуля, когда транзисторы выключены!

Точка, в которой искажения, кажется, исчезают, является здесь рабочим термином – они вообще не исчезают, и, что еще хуже, когда достигается точка кроссовера, коэффициент усиления разомкнутого контура уменьшается, что означает, что такая же обратная связь, как и при более высоких уровнях сигнала.Это будет очевидно для читателей, разбирающихся в электронике – обратите внимание, что около точки кроссовера амплитуда сигнала намного ниже, чем должна быть (это в первую очередь является причиной проблемы!). Поскольку амплитуда уменьшается, очевидно, что коэффициент усиления усилителя на этом уровне должен быть ниже, чем на более высоких уровнях.

Следовательно, если коэффициент усиления разомкнутого контура ниже, то доступная обратная связь также должна быть ниже. Это область, которая подверглась некоторому изучению, и это иллюстрируется очень «ровным» коэффициентом усиления по сравнению скривые тока коллектора многих наиболее желаемых транзисторов аудиовыхода. Это определенно является поводом для беспокойства и указывает на то, что режим разомкнутого контура усилителя мощности должен минимизировать искажение кроссовера до того, как будет добавлена ​​какая-либо обратная связь. Простое увеличение тока покоя не всегда является полным ответом, потому что эта проблема возникает из-за неотъемлемой нелинейности выходных устройств, когда они начинают (или прекращают) проводить. Увеличение тока покоя будет сдвигать «излом» дальше от точки 0 вольт, но он все равно будет там – и на самом деле может быть хуже, чем при более низких токах покоя.Основным преимуществом является то, что компоненты искажения будут (потенциально) несколько менее слышными и будут влиять на сигнал, пока он сравнительно громкий – это еще больше снизит его слышимость.

дБ УЗД на расстоянии 1 м Мощность усилителя, Вт, один канал
85 1
88 2
91 4
94 94
100 32
103 64
106 128
109 256
112
Я упаковал полевые МОП-транзисторы ранее в этой статье, потому что они на самом деле более нелинейны в этой области, чем транзисторы. Поскольку это наиболее важная часть сигнала, важно, чтобы к нему относятся с величайшим уважением. Тем не мение …

Это не означает, что полевые МОП-транзисторы не обладают образцовой производительностью.Тщательно спроектированный боковой (не переключающийся!) Усилитель MOSFET будет звучать так же хорошо, как (или, возможно, “ лучше ”) чем) биполярный усилитель, независимо от того, используется ли он в классе A или классе AB.

В свете этого удивительно, что любые усилители мощности класса AB (обычные) вообще звучат хорошо. Исторически сложилось так, что именно проблемы, которые я здесь выделил, привели к появлению термина «транзисторный звук» (употребляемого, конечно, в уничижительном смысле), когда впервые появились транзисторные или «твердотельные» усилители.Несмотря на все, что вы можете прочитать, эти проблемы вызваны физическими и электрическими характеристиками транзисторов и никуда не делись. Новые устройства гораздо более линейны, чем устройства 60-х и 70-х годов, но они не идеальны. Работа при более высоких токах покоя (то есть больше в области класса AB) уменьшит нелинейность при кроссовере, но ее никогда нельзя полностью устранить – по крайней мере, с любыми устройствами, доступными в настоящее время.

Справедливо сказать, что, хотя проблему нельзя устранить, эффекты можно уменьшить до такой степени, что многие усилители имеют почти неизмеримо малые уровни кроссоверных искажений.Совсем не редко, чтобы увидеть остаточные искажения (после удаления основной гармоники с помощью анализатора искажений), необходимо использовать цифровой осциллограф, который может применять усреднение. Искажения скрыты ниже минимального уровня шума усилителя и не видны без функции усреднения. В проведенных мною тестах прослушивание остаточного шума + искажения показало, что компонент искажения (изолированно) едва слышен поверх системного шума – обычно он ниже слышимости с типичными громкоговорителями.

Таким образом, вполне возможно создать усилитель, искажения которого на любом уровне ниже ограничения практически невозможно измерить. Незначительно более высокие уровни являются обычным явлением, и многие считают, что типичный уровень искажений в большинстве хорошо спроектированных усилителей мощности не слышен в большинстве условий прослушивания. Есть (конечно) и другие, кто это отрицают – либо потому, что они провели надлежащие сравнения в контролируемых условиях, либо потому, что у них гораздо более острый слух, чем у большинства из нас, либо потому, что им сказали, что они должны быть способны слышать разницу – если не могут, то у них должны быть «оловянные уши».Нет ничего лучше давления группы сверстников, чтобы повлиять на восприятие.

Где это оставить Класс-A? Существует эмоциональная связь с идеей усилителя класса A, и нужно учитывать, что иногда в этом есть просто аспект «хорошего настроения» – технические детали даже не входят в это. Несмотря на мою двойственность, я все же был немного разочарован своим решением не использовать P36 для моих собственных твитеров – и это несмотря на то, что я не слышал никакой разницы между P36 и высококачественным операционным усилителем мощности, который я использую для моих твитеров.

Поскольку транзисторы в усилителе класса A никогда не выключаются, очевидно, что нет кроссоверных искажений (в конце концов, нет кроссовера – когда один транзистор отключается, а другой обеспечивает ток нагрузки). Однако есть искажения – они вызваны всеми обычными нелинейностями в любом активном устройстве и, в частности, широким изменением тока в выходном устройстве (в сочетании с повышенной температурой). Стоит отметить, что искажение кроссовера точно такое же, как искажение ограничения, но с другой фазой по отношению к сигналу.Следовательно, он вносит нечетные гармоники (как и ограничение) – 3-ю, 5-ю, 7-ю и т. Д.

При правильной конструкции усилитель класса A должен обеспечивать максимальное искажение разомкнутого контура, возможно, 5% при полной мощности, уменьшаясь при понижении входного сигнала (и, следовательно, выходной мощности). Считается, что это искажение является преимущественно второй гармоникой, которая (в умеренном количестве) гораздо менее навязчива, чем искажение нечетного порядка, создаваемое обычными двухтактными усилителями класса AB, однако это может быть не так.Напротив, наиболее распространенные усилители класса AB будут иметь искажения разомкнутого контура, возможно, от 10% до 15% при полной мощности, хотя некоторые из них будут намного ниже.

Такие усилители обычно полагаются на глобальную обратную связь для уменьшения этого искажения и обычно имеют очень высокий коэффициент усиления без обратной связи. Другая проблема заключается в том, что коэффициент усиления разомкнутого контура не является постоянным с частотой, поэтому количество применяемой обратной связи уменьшается на более высоких частотах – совсем не то, что действительно необходимо. Тем не менее, не означает, что означает, что все такие усилители неслушаемы, несмотря на утверждения об обратном.

Дополнительный комментарий по Class-A может быть интересен в статье «Death of Zen» (DoZ).

Миф №1 класса A
Усилитель класса A поддерживает одинаковый ток через транзисторы, тем самым гарантируя, что они все время остаются в наиболее линейной области.

Это , а не вообще случай – ток в выходном устройстве сильно различается в случае усилителя источника тока, и он сильно варьируется в обоих выходных транзисторах для других типов усилителей класса А.Хотя можно сделать ток достаточно постоянным, это нецелесообразно и непрактично.


Сравнение классов

Как это часто бывает при написании, я внезапно решил, что мне просто нужно запустить симуляцию на паре выходных каскадов. Один из них – это класс AB (по сути тот же, что используется в проекте 3A) и схема эмиттерного повторителя класса A. Оба работали с нулевой обратной связью, а каскад класса AB работал при токе покоя 14 мА по сравнению с2А для цепи класса А.

Вместо того, чтобы делать эту статью длиннее, чем необходимо, если вы хотите увидеть подробности, см. Класс-A Часть 2


Заключение

Class-A является наиболее желательной из конфигураций усилителя с точки зрения пуриста, но он не подходит для систем высокой мощности, если не допускается чрезмерное рассеивание мощности (например, от 825 до 1500 Вт чистого тепла для получения 300 Вт звука. ). Однако при использовании высокочастотного усилителя в системе с тройным усилением можно получить желаемый уровень звукового давления в комнате для прослушивания, но без необходимости установки специальной системы кондиционирования воздуха для отвода выделяемого тепла.

При использовании в частотном диапазоне 3000 Гц и выше потребуется сравнительно небольшая мощность, а звуковые преимущества должны быть очевидны – кристально чистые высокие частоты без каких-либо резких искажений. Генерируемое искажение может (но не обязательно) быть преимущественно второй гармоникой и будет наибольшим при высоких уровнях мощности, где его будет меньше всего слышно. Однако имейте в виду, что очень многие усилители класса AB будут иметь такую ​​же хорошую, а во многих случаях гораздо лучшую производительность.

Миф № 2 класса A
Усилители класса A дают преимущественно искажения порядка 2 и .

Могут или не могут, полностью в зависимости от топологии. Очень многие усилители класса A будут воспроизводить компоненты искажения, которые почти идентичны тем, которые производятся усилителем класса AB. Это исключает искажение клиппирования, которого следует избегать в усилителях любого класса , используемых для высококачественного звука. Практически все топологии усилителей создают некоторые искажения третьей гармоники. вместе со вторым – иначе и быть не может.


Альтернатива?

Там, где невозможно (по экономическим или иным причинам) использовать усилитель класса A в диапазоне частот твитера, можно использовать модифицированный усилитель класса AB. Необходимая модификация состоит в том, чтобы увеличить ток покоя (возможно, до 1 А или около того), чтобы усилитель работал как класс A для любого сигнала ниже примерно 8 Вт – при условии хорошей нагрузки 8 Ом, такой как твитер. Такая модификация существующего усилителя довольно проста для опытного инженера-электронщика или специалиста по обслуживанию, но почти наверняка потребует модернизации радиаторов, чтобы предотвратить разрушение выходных устройств.Также вероятно, что для источника питания потребуются дополнительные конденсаторы, а также, возможно, стабилизатор или схема умножителя емкости. Без них уровень шума может стать навязчивым, что, скорее, сводит на нет всю цель упражнения. От любого, кто думает в этом направлении, требуется немного поэкспериментировать.

Имейте в виду, что вы можете с любовью попрощаться с любой гарантией, которая может существовать на ваш усилитель – немногие производители согласятся, что разорвать свой продукт на части и восстановить его как нечто «новое» – вполне разумный поступок.

Несмотря на стоимость модификации усилителя таким образом, это обязательно будет дешевле, чем покупка или создание усилителя класса A с нуля – тем более, если у вас есть совершенно хороший (но маломощный) усилитель, который просто валяется в ожидании быть использованы. За небольшой объем работы и относительно небольшие деньги потенциально хороший усилитель может стать вашим.

Предупреждение
Имейте в виду, что приведенный выше раздел является скорее «размышлениями», чем установленным фактом после полного тестирования.Теория (более или менее) верна, но невозможно предсказать точное поведение какого-либо усилителя после модификации, и я предлагаю, чтобы, если нужно попробовать какие-либо такие модификации, они должны быть выполнены с измерениями “ до и после ”, чтобы обеспечить надлежащее сравнение. Работа с током покоя, превышающим нормальный, может фактически снизить производительность некоторых усилителей.



Указатель статей
Основной индекс
Class-A Part 2
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторскими правами © 1999-2005. Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Последнее обновление страницы – 3 апреля 2005 г. – несколько уточнений и различных обновлений, чтобы привести статью в соответствие с новейшими транзисторами и отразить дополнительные исследования. / 21 марта 2001 г. – изменен раздел о смещении тока 1/2. / 09 мая 2000 – добавлены некоторые комментарии по питанию конденсаторных умножителей и многое другое об усилителях класса A с «модулированным током». / 29 ноября 1999 г., некоторые незначительные изменения в формулировках. / Дек. ’18 – переделаны чертежи.


Простой усилитель класса A

Простой усилитель класса A
The Audio Pages
Elliott Sound Products Простой усилитель класса A

На основе оригинальной статьи Джона Линсли-Гуда


Основной индекс
Указатель статей
Указатель сайта усилителя класса A

Авторские права на эту статью являются собственностью Mr.Linsley Hood и Electronics World (ранее Wireless World). Он перепечатан здесь как услуга для читателей, и ESP не претендует на какие-либо права интеллектуальной собственности, за исключением редакционных комментариев. Он воспроизводится с использованием исходного текста (или того количества, которое мне удалось получить), а описания принадлежат автору (за исключением примечаний редактора).

Следует отметить, что статья была первоначально опубликована где-то в 1969 году, и что транзисторы в настоящее время устарели. Большая часть описательного текста больше не подходит для новых разработок, и комментарии по усилителям класса AB могут не применяться сегодня.

Оригинальные статьи Джона Линсли Гуда и другие материалы можно найти на сайте усилителя класса A (TCAAS).


Простой усилитель класса A

Конструкция 10 Вт, дающая субъективно лучшие результаты, чем транзисторные усилители класса B

от J. L. Linsley Hood, M.I.E.E.

* Примечания редактора Рода Эллиотта

За последние несколько лет был опубликован ряд превосходных разработок домашних усилителей звука.Однако некоторые из этих конструкций в настоящее время устаревают из-за изменений в доступности компонентов, а другие предназначены для обеспечения уровней выходной мощности, превышающих требования обычной гостиной. Кроме того, большинство дизайнов имели тенденцию быть довольно сложными.

В сложившихся обстоятельствах казалось целесообразным подумать о том, насколько простой может быть проект, который обеспечивал бы адекватную выходную мощность вместе со стандартом безупречных характеристик, и это исследование привело к созданию настоящего дизайна.


Выходная мощность и искажения

Ввиду огромной популярности лампового усилителя Mullard “5-10” оказалось, что выходная мощность 10 Вт будет достаточной для нормального использования; действительно, когда два таких усилителя используются в качестве стереопары, общий вывод звука при полной мощности может быть весьма удивительным при использовании достаточно чувствительных динамиков.

* Для сегодняшних ораторов и ожиданий это явно не так. Однако 10 Вт, вероятно, будет достаточно для твитеров в триампированной системе, и это причина публикации данной схемы.

Первоначальные стандарты гармонических искажений для звука были установлены Д. Т. Уильямсоном в серии статей, опубликованных в Wireless World в 1947 и 1949 годах; и предложенный им стандарт для общего гармонического искажения менее 0,1% при полной номинальной выходной мощности был общепринятым в качестве целевого показателя для высококачественных усилителей мощности звука. Поскольку основная проблема в конструкции ламповых усилителей звука заключается в трудности получения адекватных характеристик выходного трансформатора, и поскольку современные методы транзисторных схем позволяют проектировать усилители мощности без выходных трансформаторов, казалось возможным стремиться к несколько более высокому стандарту. , 0.Общий коэффициент гармонических искажений 05% при полной выходной мощности в диапазоне 30 Гц – 20 кГц. Это также означает, что выходная мощность будет постоянной в этом диапазоне частот.


Схема

Первой известной автору схемой усилителя, в которой использовалась конструкция бестрансформаторного транзистора для получения стандарта характеристик, приближающегося к характеристикам усилителя «Вильямсон», была схема, опубликованная в Wireless World в 1961 году Тоби и Динсдейлом. В нем использовался выходной каскад класса B с последовательно соединенными транзисторами с квазикомплементарной симметрией.Последующие высококачественные транзисторные усилители мощности в основном следовали принципам конструкции, изложенным в этой статье.

Основным преимуществом усилителей этого типа является то, что нормальное статическое рассеивание мощности очень мало, а общая эффективность преобразования мощности высока. К сожалению, есть также некоторые присущие им недостатки из-за внутреннего несходства в отклике двух половин двухтактной пары (если комплементарные транзисторы используются в асимметричной схеме) вместе с некоторым перекрестным искажением из-за I c / V b характеристики.Многое было сделано, особенно Бейли, чтобы свести к минимуму последнее.

Дополнительной характеристикой выходного каскада класса B является то, что потребность в токе выходных транзисторов увеличивается вместе с выходным сигналом, и это может снизить выходное напряжение и ухудшить сглаживание источника питания, если это не спроектировано должным образом. Кроме того, из-за увеличения тока возбуждения с выходной мощностью возможна переходная перегрузка, которая приведет выходные транзисторы в состояние теплового разгона, особенно при реактивных нагрузках, если не используется подходящая схема защиты.Эти требования объединились, чтобы увеличить сложность схемы, и хорошо спроектированный усилитель мощности класса B с низким уровнем искажений больше не является простой или недорогой конструкцией.

* Термический пробой, о котором идет речь, теперь известен как вторичный пробой, когда транзистор испытывает локальный нагрев на кремниевый кристалл. Этот эффект очень быстр и может привести к почти мгновенному разрушению транзистора. Это одна из причин того, что полевые МОП-транзисторы предпочитают многие разработчики усилителей.

Альтернативный подход к конструкции транзисторного усилителя мощности, сочетающий хорошие характеристики с простой конструкцией, заключается в использовании выходных транзисторов в конфигурации класса А. Это позволяет избежать проблем асимметрии в квазикомплементарных схемах, теплового разгона при переходной перегрузке, перекрестных искажений и зависимых от сигнала изменений в потребляемом токе источника питания. Однако он менее эффективен, чем схема класса B, и выходные транзисторы должны быть установлены на больших радиаторах.

Базовая конструкция класса A состоит из одного транзистора с подходящей коллекторной нагрузкой. использование резистора, как на рис. 1 (а), было бы практическим решением, но наилучший КПД преобразования мощности будет около 12%. Дроссель НН, как показано на рис. 1 (b), даст гораздо больший КПД, но правильно спроектированный компонент будет громоздким и дорогим и лишит многих преимуществ бестрансформаторной конструкции. Использование второго аналогичного транзистора в качестве нагрузки коллектора, как показано на рис.1 (c), было бы более удобным с точки зрения размера и стоимости, и позволило бы эффективно управлять нагрузкой в ​​двухтактном режиме, если бы входы из двух транзисторов были подходящей величины и противоположны по фазе.Это требование может быть выполнено, если транзистор драйвера подключен, как показано на рис. 2.

Этот метод подключения также отвечает одному из наиболее важных требований к усилителю с низким уровнем искажений: – что основная линейность усилителя должна быть хорошей даже при отсутствии обратной связи. Этому способствует несколько факторов. Нелинейность Ic / Vb характеристик выходных транзисторов имеет тенденцию к устранению, потому что в течение той части цикла, в которой один транзистор приближается к отсечке, другой полностью включен.Существует мера внутренней обратной связи вокруг контура Tr1 Tr2 Tr3 из-за влияния, которое характеристики базового импеданса Tr1 оказывают на выходной ток Tr3. Кроме того, задающий транзистор Tr3, который должен обеспечивать большой размах напряжения, работает в условиях, благоприятствующих низким гармоническим искажениям: – низкое выходное сопротивление нагрузки, высокое входное сопротивление.

* Потенциально стоящим усовершенствованием этой схемы является добавление резистора 0,1 Ом в цепь эмиттера Tr1.Этот применяет локальную обратную связь ко всему каскаду усиления, обеспечивая значительное уменьшение искажений. Если используется, это должен быть 5-ваттный провод с обмоткой. тип для обработки тока.

* Верхний транзистор (Tr2) работает как источник тока, выходной ток которого модулируется. Это позволяет схеме работают при примерно половине тока покоя, который потребовался бы, если бы модуляция не применялась. Необходимо выбрать значения для R1 и R2, на основе усиления Тр2.Для источника питания 40 В, если Tr2 должен иметь усиление 50 при 1 А, тогда …

(R1 + R2) = 20 В / 20 мА (базовый ток) = 1000 Ом.

Одна проблема с этим подходом заключается в том, что ток, обеспечиваемый Tr2, будет изменяться в зависимости от температуры. Читатели, желающие поэкспериментировать с этим Схема должна гарантировать, что ток проверяется при нормальной рабочей температуре (т.е.ГОРЯЧЕЙ). В схеме нет механизма для предотвращения теплового разгона, за исключением использования радиатора подходящего размера. В какой-то момент схема должна стабилизировать ток покоя.Если это так нет (а ток продолжает расти), значит радиатор маловат. Чтобы обеспечить срок службы транзисторов, они не должны работают при температуре выше 50 ° C, что в нормальных условиях должно быть вполне достижимым. Поскольку каждый транзистор работает на (или около) 25 Вт, радиатор каждого транзистора должен иметь теплоемкость около 1 ° C / Вт. Радиатор лучше (то есть большего размера) совершенно не годится вреда, и обеспечит защиту от теплового разгона.

Есть также более новая версия этого усилителя, но я не планирую ее переиздавать.Больше можно найти на Сайт усилителя класса A (TCAAS).

Коэффициент усиления разомкнутой цепи схемы составляет приблизительно 600 с типичными транзисторами. Коэффициент усиления замкнутого контура определяется на частотах, достаточно высоких для того, чтобы импеданс C3 был небольшим по сравнению с R4, соотношением (R3 + R4) / R4. Для значений, указанных на рис. 3, это 13. Это дает коэффициент обратной связи около 160 миллиом.

Поскольку схема имеет единичное усиление на постоянном токе, из-за включения C3 в контур обратной связи выходное напряжение Ve поддерживается на том же уровне, что и база Tr4, плюс потенциал эмиттера базы Tr4 и падение потенциала вдоль R3 из-за эмиттерного тока этого транзистора.Поскольку выходной транзистор Tr1 будет включать столько тока, сколько необходимо для снижения Ve до этого значения, резистор R2, который вместе с R1 регулирует ток коллектора Tr2, можно использовать для установки статического тока выходных каскадов усилителя. . Также будет очевидно, что Ve можно установить на любое желаемое значение небольшими корректировками R5 и R6. Оптимальная производительность будет достигнута, когда оно будет равно половине напряжения питания. (Полвольта или около того в любом случае будет иметь лишь небольшое различие для максимальной достижимой выходной мощности и других характеристик этого усилителя, поэтому нет необходимости в большой точности при настройке.)

* Не упоминается назначение C1 (вместе с R1 и R2). Этот конденсатор обеспечивает “начальную загрузку”, которая пытается поддерживать постоянное напряжение на R2. Если напряжение на резисторе остается постоянным, значит, ток через резистор должен также остаются постоянными. Если значение C1 слишком мало, исходя из самого низкого значения, производительность этой схемы будет сильно снижена. частота срабатывания и параллельное значение R1 и R2. Для работы до 20 Гц (при условии, что R1 + R2 = 1000 Ом) конденсатор должен быть не менее 220 мкФ.

Аналогично, реактивное сопротивление C1 должно быть низким по отношению к импедансу динамика (предпочтительно менее 1/2 импеданса динамика при самом низком интересующая частота – предполагается 20 Гц). Это примерно 2000 мкФ. Рекомендуется рабочее напряжение не менее 50В для всех электролитические конденсаторы, а также для оптимальной ВЧ. производительность, полиэстер емкостью 1 мкФ может использоваться параллельно с каждым электроприводом. По моему опыту это не нужен, но многие не согласятся, поэтому, если хотите, добавьте.

Повсюду используются кремниевые планарные транзисторы

, что обеспечивает хорошую термическую стабильность и низкий уровень шума.Кроме того, поскольку нет необходимости в дополнительной симметрии, все силовые каскады могут использовать транзисторы n-p-n, которые в кремнии обеспечивают лучшую производительность и низкую стоимость. Общая производительность при выходной мощности 10 Вт или на любом более низком уровне больше, чем соответствует стандартам, установленным Williamson. Графики выходной мощности и коэффициента усиления / частоты показаны на рис. 4 и 5, а соотношение между выходной мощностью и полным гармоническим искажением показано на рис. 6. Поскольку усилитель представляет собой прямую схему класса A, искажение уменьшается линейно с выходным напряжением.(Это не обязательно будет иметь место в системе класса B, если присутствует какое-либо значительное количество перекрестных искажений.) Анализ компонентов искажения на уровнях порядка 0,05% затруднен, но кажется, что остаточное искажение ниже Уровень, на котором начинается отсечение, – это преимущественно вторая гармоника.


Стабильность, выходная мощность и сопротивление нагрузки Кремниевые планарные NPN-транзисторы

в целом имеют отличные высокочастотные характеристики, что способствует очень хорошей стабильности усилителя при реактивных нагрузках.Автор еще не нашел комбинацию L и C, которая делает систему нестабильной, хотя система легко станет колебательной с индуктивной нагрузкой, если R3 шунтируется небольшим конденсатором, чтобы вызвать спад на высоких частотах.

Схема, показанная на рис. 3, может использоваться, с очень небольшими изменениями в значениях компонентов, для управления импедансом нагрузки в диапазоне 3-15 Ом. Однако выбранная выходная мощность представлена ​​различным соотношением тока / напряжения в каждом случае, и поэтому ток через выходные транзисторы и размах выходного напряжения будут разными.Размах пикового напряжения и средний выходной ток можно довольно просто вычислить из хорошо известного соотношения W = I 2 R и V = IR, где символы имеют свое обычное значение. (однако следует помнить, что расчет выходной мощности основан на среднеквадратичных значениях тока и напряжения, что их необходимо умножить на 1,41, чтобы получить пиковые значения, и что измеренный размах напряжения представляет собой размах напряжения от пика до пика, который вдвое больше пикового значения.)

Когда эти расчеты были произведены, размах напряжения от пика до пика для мощности 10 Вт на нагрузке 15 Ом оказался равным 34.8 вольт. Поскольку два выходных транзистора имеют нижнее напряжение около 0,6 вольт каждый, источник питания должен обеспечивать минимум 36 вольт для обеспечения этого выхода. Для нагрузок 8 и 3 Ом минимальное значение h.t. напряжение в сети должно быть 27 В и 17 В соответственно. Необходимые минимальные токи – 0,9, 1,2 и 2,0 ампер. Предлагаемые значения компонентов для работы с этими импедансами нагрузки показаны в таблице 1. C3 и C1 вместе влияют на напряжение и спад мощности на низких звуковых частотах, желательно, чем показано на фиг.4 и 5.

Поскольку соответствующие напряжения питания и выходные токи приводят к рассеянию порядка 17 Вт на каждом выходном транзисторе, и поскольку нежелательно (для долговечности компонентов) допускать высокие рабочие температуры, для каждого транзистора должна быть предусмотрена соответствующая площадь радиатора. Предлагается пара отдельно установленных радиаторов с оребрением 125 мм на 100 мм (5 дюймов на 4 дюйма). К сожалению, это штраф, который должен быть уплачен за операцию класса А.Для источников питания выше 30 В Tr1 и Tr2 должны иметь значение Mj481s, а Tr3 – 2n1613.

Если выходное сопротивление предусилителя превышает несколько тысяч Ом, входной каскад усилителя модифицируется, чтобы включить простой f.e.t. Схема повторителя источника, показанная на рис. 8. Это увеличивает гармонические искажения примерно до 0,12% и поэтому (теоретически) является менее привлекательным решением, чем лучший предварительный усилитель.

Высокочастотный спад может быть получен, если необходимо, подключив небольшой конденсатор между затвором f.e.t и отрицательная (земная) линия.


Подходящие транзисторы

Было проведено несколько экспериментов, чтобы определить, в какой степени на характеристики схемы влияют тип и коэффициент усиления по току используемых транзисторов. Как и ожидалось, лучшая производительность была получена при использовании транзисторов с высоким коэффициентом усиления и когда в выходном каскаде использовалась согласованная пара. Неизвестно никакой адекватной замены для типа 2N697 / 2N1613, используемого в каскаде драйвера, но примеры этого типа транзистора от трех разных производителей использовались с явно идентичными результатами.Аналогичным образом, использование альтернативных типов входных транзисторов не привело к заметным изменениям производительности, и Texas Instruments 2N4058 полностью взаимозаменяема с Motorola 2N3906, использованной в прототипе.

Наиболее заметные изменения в производительности были обнаружены в характеристиках усиления по току пары выходных транзисторов, и для минимально возможных искажений с любой парой напряжение в точке подачи от громкоговорителя должно быть отрегулировано так, чтобы оно находилось в пределах 0,25 В. половины потенциала линии питания.

В этих экспериментах использовались транзисторы Motorola MJ480 / 481, за одним исключением, в котором были опробованы устройства Texas 2S034. Основной вывод, который можно сделать из этого, заключается в том, что тип используемого транзистора может не иметь большого значения, но что если есть различия в текущих коэффициентах усиления выходных транзисторов, необходимо использовать устройство с более высоким коэффициентом усиления. в позиции Tr1.

Когда компоненты искажения были обнаружены до начала ограничения формы сигнала, они почти полностью были вызваны наличием вторых гармоник.


Конструктивные указания

Усилитель

Компоненты, необходимые для пары стереоусилителей мощностью 10 + 10 Вт, могут быть удобно собраны на стандартном «Lektrokit» 4 “X 4,75” s.r.b.p. штыревой плате с четырьмя силовыми транзисторами, установленными на внешних радиаторах. Если не указано иное, значения компонентов не являются особо критическими, и резисторы с допуском 10%, безусловно, могут использоваться без вреда для здоровья. Однако самый низкий уровень шума будет достигнут при использовании компонентов хорошего качества и резисторов на основе углеродной пленки или оксида металла.

* Во всем следует использовать резисторы с металлической пленкой, так как они превосходят углеродные пленочные по всем параметрам. Это обычно доступен только с допуском 1% или выше, что не вызовет никаких проблем.

Блок питания

Предлагаемая форма блока питания показана на рис. 9 (а). Поскольку потребность в токе усилителя по существу постоянна, может использоваться схема последовательного транзистора сглаживания, в которой выходное напряжение источника питания может регулироваться путем выбора входного тока базы, обеспечиваемого эмиттерным повторителем Tr2 и потенциометром VR1.Со значениями емкости накопительного конденсатора, показанными в таблице 3, уровень пульсаций будет меньше 10 мВ при номинальном выходном токе, при условии, что коэффициент усиления по току последовательного транзистора больше 40. Для выходных токов до 2,5 А последовательно Указанные транзисторы будут подходящими при условии, что они установлены на радиаторах, соответствующих их нагрузке.

Однако при текущих уровнях, необходимых для работы 3-омной версии усилителя в качестве стереопары, одного MJ480 больше не будет достаточно, и необходимо использовать более подходящий последовательный транзистор, такой как Mullard BDY20, например, с 2N1711 в качестве Tr2 или с параллельным подключением, как показано на рис.9 (б).

Суммарное сопротивление в «первичной» цепи выпрямителя, включая вторичную обмотку трансформатора, должно быть не менее 0,25 Ом. Когда источник питания, с усилителем или без него, должен использоваться с высокочастотным. блока усилителя-тюнера может потребоваться добавить конденсатор 0,25 мкФ (160 В) во вторичные обмотки T1 для предотвращения переходного излучения. Указанные выпрямительные диоды представляют собой герметизированные мосты International Rectifier.

* Этот источник питания не является регулируемым, а представляет собой простой умножитель емкости.Для более полного описания лучшей схемы см. Фильтр источника питания умножителя емкости на этих страницах.

Ограничение тока
* Хотя в исходной статье об этом не упоминалось (и мне удалось на время «потерять» файл схемы), текущий ограничитель был включен. Это гарантирует, что ток через устройства вывода не превысит заданное значение, хотя я считаю, что концепция ошибочна и имеет ограниченную ценность в этом общем дизайне.

Схема выше показывает способ подключения ограничителя тока. Он не стабилизирует ток покоя (без сигнала), а только способен гарантировать, что абсолютный максимальный ток не превышает значения, определяемого потенциометром 100 Ом. Чтобы быть полезным, ток необходим стабилизатор, который обеспечит постоянство рабочего тока в режиме отсутствия сигнала независимо от температуры или напряжения питания. вариации. Информация для достижения этой цели не предоставляется.

Дополнительные примечания

Эта статья (с редакционными примечаниями) перепечатывается в качестве услуги для читателей, которым напоминаются законы об авторском праве, которые могут ограничивать права читателей на воспроизведение, коммерческое производство и т. Д. Представленная информация не предназначена для использования в качестве руководства для строительства, а предназначена в первую очередь для представления интереса и может служить отправной точкой для других проектировщиков.

Оригинальному изделию уже много лет, и некоторые из упомянутых типов транзисторов заменены значительно лучшими конструкциями.Я оставлю читателям экспериментировать с типами устройств. Хотя большая часть дизайна по-прежнему актуальна для нового дизайна, я думаю, что этого усилителя может не хватать по сравнению с более поздними тенденциями дизайна. В частности, система смещения нестабильна с температурой, и дрейф постоянного тока будет очевиден. Кроме того, коэффициент усиления разомкнутого контура очень низкий, поэтому обратная связь намного меньше, чем хотелось бы (хотя многие сочтут это хорошо!). Как упоминалось выше, дополнительная локальная обратная связь (0.Резистор 1 Ом в эмиттере Tr1) может уменьшить искажения разомкнутого контура, но еще больше снижает коэффициент усиления. Я предлагаю поэкспериментировать (пока я провел лишь несколько компьютерных симуляций) и буду признателен за отзывы всех, кто попробует эту схему.

Я бы также предположил, что усилитель мощности с одним источником питания на самом деле не является предложением для новых разработок (хотя DoZ использует тот же принцип), и биполярный (+/-) источник питания может быть предпочтительнее. В этом случае стабилизация постоянного тока становится серьезной проблемой, поскольку небольшие напряжения смещения постоянного тока могут оказаться катастрофой, в частности, для высокочастотных динамиков.

Схемы невысокого качества, но являются оригиналами с исходной WWW-страницы. Я не предлагаю их перерисовывать, так как этот дизайн предоставляется только для информации.

Автор
Джон Л. Линсли-Худ был плодовитым автором конструкций усилителей и до своей смерти в 2004 году представлял новые идеи и схемы в британском журнале Electronics World (ранее Wireless World). Его влияние на дизайн качественного звука усилителей было немало.

alexxlab

leave a Comment