Усилитель в классе а: Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

A, B, AB, H, D?

Когда мы тестируем в нашей акустической лаборатории усилители для автомобильных аудиосистем, то частенько упоминаем в материалах их классы, мол, этот работает в экономичном классе D, а тот чисто для аудиофилов — в классе Real АВ. И тут мне недавно задали вопрос: а что это за классы такие вообще? Ну что ж, разберемся.
Выбирая в магазине подходящий усилитель для аудиосистемы, обратите внимание на то, в каком классе они работают. Класс АВ можно назвать традиционным, в нем работает большинство усилителей. В последнее время все чаще встречаются усилки класса D, которые называют цифровыми, хотя это не совсем правильно, и скоро вы поймете почему. Что предпочесть? Какой лучше? Как обычно, однозначного ответа нет, поскольку у каждого есть свои преимущества и недостатки. Но для начала пару слов о том, что и как там вообще происходит внутри.

КАЧНЕМ ТОКУ
Основные элементы практически любого усилителя — это транзисторы. Не будем вдаваться в суть построения различных схем, тем более, что их на самом деле далеко не одна, а выделим основное — сам принцип работы. Для этого на время представим усилитель в виде, ну, скажем... водопровода. Неожиданно, правда? Тем не менее, аналогия налицо, и вы сейчас в этом убедитесь. Во-первых, в усилителе есть блок питания, преобразующий однополярное напряжение бортовой сети („плюс" и „масса") в двухполярное („плюс",„масса" и „минус"). Мы уже говорили, зачем он необходим, когда рассматривали, как измеряются мощности усилителей. Так вот, в такой системе двухполярный блок питания будет представлять собой не что иное, как два насоса (насос со стороны „+" будет как бы накачивающим, а насос со стороны „-" как бы откачивающим ток относительно массы). Наша задача — пустить эти потоки через нагрузку усилителя (нагрузка — это как раз подключенный к усилителю динамик). Для этого, понятное дело, нужны краны, которые будут управлять этими потоками.

Вот как раз роль этих кранов и играют транзисторы. Они могут открываться, пропуская через себя большой поток, или закрываться, уменьшая его. „Краны" эти по отношению друг к другу обратные: когда один начнет закрываться, другой будет открываться. Соответственно, поток от „насосов" будет направляться через нагрузку то в одну, то в другую сторону. А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА А. В, АВ, Н
Но на самом деле просто открывать и закрывать транзистор еще мало, ведь нам нужно, чтобы сигнал усиливался без искажений, то есть, чтобы выходной сигнал по форме в точности повторял входной. Значит нам необходимо, чтобы транзисторы (эти самые краны) открывались и закрывались по строго линейному закону, строго пропорционально входному сигналу.

Но вот незадача, на самом деле транзистор может так работать не во всем своем диапазоне. Например, если входной сигнал слишком маленький, то транзистор на него почти не реагирует, зато при достижении определенного уровня резко открывается. Какая уж тут линейность? А вот дальше этого момента реагирует на изменение управляющего сигнала вполне адекватно, почти что линейно. Значит, для того, чтобы искажений было как можно меньше, транзистор придется все время держать в приоткрытом состоянии. Это называется задать смещение транзистора или выбрать его рабочую точку.
В этом случае говорят, что усилитель работает в классе А. Такой класс усилителей по праву считается аудиофильским, поскольку обеспечивает очень маленькие искажения сигнала. Но самый главный его недостаток — высокий ток покоя. Ток покоя — это ток, который будет течь через транзисторы, даже когда входного сигнала нет (ведь нам же пришлось задать транзисторам некоторое смещение). Из-за этого они довольно сильно нагреваются, и значительная часть энергии от блока питания уходит в тепло, а КПД усилителя составляет в лучшем случае всего лишь около 20-30%.

Но поскольку автомобильные усилители на самом деле делаются не на одном транзисторе, а строятся по так называемым двухтактным схемам, т.е. с 2 транзисторами, то возникает одна заманчивая идея. Что, если не держать их постоянно приоткрытыми? Пусть они оба при отсутствии входного сигнала будут закрытыми? Поскольку транзисторы по отношению друг к другу обратные, то получится, что один из них будет открываться, когда сигнал положительный, а другой — когда сигнал отрицательный. Иными словами, получится, что первый будет усиливать положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную, на нагрузке же эти половинки благополучно сложатся. Когда усилитель работает в таком режиме, то говорят, что это класс В.
Решение, несомненно, хорошее, ведь через транзисторы в такой схеме не течет бесполезный ток, когда сигнала нет, а значит и КПД усилителя получается гораздо выше. Однако все бы замечательно, но дело в том, что какие бы мы хорошие и качественные транзисторы не поставили, у них все равно будет присутствовать нелинейность в самом начале их открытия. А это значит, что в тот момент, когда один транзистор только закрывается, а второй только открывается, неизбежно появится искажение в виде ступеньки.

Когда уровень сигнала высокий, эта ступенька не выглядит очень уж большой, и если особо не придираться, то на нее еще можно и не обращать особого внимания. А вот на небольших уровнях сигнала она будет уже слишком заметна. Поэтому класс В в чистом виде в автомобильных усилителях не используется из-за больших искажений.
Так какой же режим лучше всего выбрать для усилителя? В классе А — маленькие искажения, но и КПД низкий, львиная доля мощности блока питания уйдет в тепло (вот почему усилители, работающие в этом классе, греются как утюги). Класс В обеспечит хороший КПД, но искажения будут такими, что о высоком качестве воспроизведения особо говорить не придется. Компромиссное решение — это смешанный режим, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение, гораздо меньшее, чем в чистом классе А, но уже достаточное для того, чтобы избежать заметной ступеньки в выходном сигнале. При этом так и говорят — усилитель работает в классе АВ.

Выбирая рабочую точку транзисторов (ну или иными словами, выбирая насколько транзисторы будут приоткрыты в режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала), можно сделать усилитель класса АВ ближе к классу А или к В. Например, в первом случае наиболее заметен тот эффект, что до достижения определенной мощности усилитель работает в классе А, а на высоких уровнях как бы автоматически переходит в класс АВ — решение, довольно часто применяемое в усилителях высокого класса (иногда в описаниях к таким усилителям можно встретить обозначение их класса как Real АВ).
Справедливости ради, нужно отметить, что классы А, В и АВ не единственные. Есть и другие, которые можно назвать производными от них, они представляют собой попытки совместить экономичность АВ-класса с качеством А-класса. Например, класс А+ — симбиоз усилителей В-класса и А-класса (выход первого является средней точкой для второго). Или класс Super A (Non Switching) — в них специальная схема не дает транзисторам полностью запираться(ведь основные искажения, как вы уже знаете, как раз из-за нелинейности в самый начальный момент открытия транзисторов-„кранов"). А усилители класса G вообще представляют собой два каскада усиления, работающих каждый от своего источника питания разного напряжения (на небольшой мощности работает каскад, питающийся от источника с небольшим напряжением, а на пиках к нему подключается второй, питающийся от источника с большим напряжением). Впрочем, все это довольно сложные схемы, которые и в домашней то технике применяются все реже, а уж в автомобильных усилителях это, мягко говоря, и вовсе экзотика.
А вот усилители класса Н можно с уверенностью назвать чисто автомобильными. В этом классе делают усилители, встроенные в головное устройство. Понятное дело, в них нет никаких сложных блоков питания, преобразующих бортовые 12 Вольт в двухполярное питание с большим напряжением (впрочем, встроенный в ГУ усилитель все равно питается отдвухполярного напряжения, просто за среднюю точку для него принимается Uпит/2, то есть, условно говоря, 6 Вольт), поэтому мощность таких усилителей невелика. Класс Н — это попытка в какой-то мере нивелировать основной недостаток маломощных усилителей — зажатость звучания. Так как же он работает?
На самом деле, усилитель класса Н — это практически то же самое, что и обычный усилитель класса АВ. Только в нем есть так называемая схема удвоения напряжения питания, основной элемент которой — конденсатор, накапливающий заряд, когда входной сигнал не очень большой. Ну а поскольку реальный музыкальный сигнал — это вам не синус, на котором по стандарту измеряется мощность, то для него характерны кратковременные пики. Так вот, как раз в моменты таких пиков этот самый конденсатор специальной схемой добавляется последовательно к питающему напряжению, и оно как бы кратковременно удваивается, помогая усилителю воспроизвести эти пики с меньшими искажениями. Это, на самом деле, не особо сказывается на мощности усилителя, измеренной стандартно на синусоидальном сигнале, но на средних и высоких частотах звучание субъективно становится лучше.

КСТАТИ
Класс усилителя в первом приближении можно распознать по характеру зависимости КНИ от мощности. Смотрите, на малых уровнях сигнала класс А обеспечивает самые маленькие искажения. А вот класс В за счет „ступеньки" в сигнале на малых уровнях непременно будет иметь повышенные искажения (так называемая проблема первого Ватта). Класс АВ где-то между ними.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА D
Классы А, В, АВ и прочие их производные — это все традиционные классы аналоговых усилителей, принципы построения у них схожие, разве что режимы работы транзисторов выбираются разные, да добавляются кое-какие примочки. Но есть и усилители, которые строятся изначально несколько иначе. Это импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится). Давайте в общих чертах разберем, как работает усилитель D-класса.

Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть. Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается.
Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной.

Основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).

В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

 

 

А, B, AB, D, G, H / Хабр

Здравствуй, Хабр!


В данной статье мы рассмотрим звуковые усилители классов: А, B, AB, D, G, H
Сначала рассмотрим классы по положению рабочей точки. Каждый транзистор имеет выходную характеристику, которую можно найти в DataSheet.

Пример характеристики на рисунке ниже.


Выходная характеристика транзистора.

Именно с помощью данной характеристики мы сможем выбрать класс усилителя по положению точки покоя.

Выходная характеристика показывает какой ток нам нужно задать базе транзистора, для того чтобы получить определённый класс усилителя, также мы узнаем Iк.


Класс А


Класс А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал.
Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Класс B


Элемент, работающий в данном классе способен усиливать только одну полуволну, положительную либо отрицательную.
Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.
Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.


Класс D


Принцип действия данного класа. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).
Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.
Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Усилители класса G и H


Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).


Усилитель класса H
Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Спасибо за внимание.

A, B, AB, C и другие

В данной статье мы подробно рассмотрим классификации усилителей: A, B, AB, C и от D до T. В конце статьи таблица классов усилителей по углу проводимости.

Классификация

Усилители классифицируются по классам в зависимости от их конструкции и эксплуатационных характеристик.

Не все усилители одинаковы, и существует четкое различие между настройкой и работой их выходных каскадов. Основными рабочими характеристиками идеального усилителя являются линейность, усиление сигнала, эффективность и выходная мощность, но в реальных усилителях всегда существует компромисс между этими различными характеристиками.

Как правило, большие усилители сигнала или мощности используются на выходных каскадах аудиоусилителей для управления нагрузкой громкоговорителя. Типичный громкоговоритель имеет импеданс от 4 Ом до 8 Ом, поэтому усилитель мощности должен быть способен подавать высокие пиковые токи, необходимые для возбуждения низкоомного динамика.

Один метод, используемый для различения электрических характеристик усилителей разных типов, относится к «классу», и в качестве таких усилителей классифицируются в соответствии с их схемотехнической конфигурацией и методом работы. Тогда Классы усилителей — это термин, используемый для различения разных типов усилителей.

Классы усилителя представляют величину выходного сигнала, которая изменяется в схеме усилителя в течение одного цикла работы при возбуждении синусоидальным входным сигналом. Классификация усилителей варьируется от полностью линейного режима (для использования при усилении сигнала высокой точности) с очень низкой эффективностью до полностью нелинейного (где точное воспроизведение сигнала не так важно), но с гораздо более высоким КПД, в то время как другие являются компромиссом между двумя.

Классы усилителей в основном объединены в две основные группы. Первыми являются классически управляемые усилители угла проводимости, формирующие более распространенные классы усилителей A, B, AB и C , которые определяются длиной их состояния проводимости на некоторой части выходного сигнала, так что работа транзистора выходного каскада лежит где-то между «полностью включен» и «полностью выключен».

Второй набор усилителей — это более новые так называемые «переключающие» классы усилителей D, E, F, G, S, T и т.д., Которые используют цифровые схемы и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для постоянного переключения сигнала между «полностью ВКЛ.» и «полностью ВЫКЛ.», приводящие к сильному выходу в области насыщения и обрезания транзисторов.

Наиболее часто создаваемые классы усилителей — это классы, которые используются в качестве аудиоусилителей, в основном, классы A, B, AB и C, и, для простоты, именно эти типы классов усилителей мы рассмотрим здесь более подробно.

Усилитель класса А

Усилители класса А являются наиболее распространенным типом усилителей класса в основном благодаря их простой конструкции. Класс A буквально означает «лучший класс» усилителя, в основном из-за их низких уровней искажения сигнала и, вероятно, является лучшим звучанием из всех классов усилителей, упомянутых здесь. Усилитель класса А имеет самую высокую линейность по сравнению с другими классами усилителей и, как таковой, работает в линейной части кривой характеристик.

Обычно усилители класса A используют один и тот же транзистор (биполярный, полевой транзистор, IGBT и т.д.), подключенный в общей конфигурации эмиттера для обеих половин сигнала, причем транзистор всегда проходит через него, даже если у него нет базового сигнала. Это означает, что выходной каскад, будь то биполярное устройство, устройство MOSFET или IGBT, никогда не приводится полностью в свои области отсечки или насыщения, а вместо этого имеет базовую точку смещения Q в середине линии нагрузки. Тогда транзистор никогда не выключается, что является одним из его основных недостатков.

картинка-схема усилителя класса Акартинка-схема усилителя класса А

Для достижения высокой линейности и усиления выходного каскада усилителя класса A постоянно смещен в положение «ВКЛ» (проводящий). Затем для того, чтобы усилитель был классифицирован как «класс A», нулевой ток холостого хода на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки (обычно громкоговоритель), необходимый для получения наибольшего выходного сигнала.

Поскольку усилитель класса А работает в линейной части своих характеристических кривых, одно выходное устройство проходит через полные 360 градусов выходного сигнала. Тогда усилитель класса А эквивалентен источнику тока.

Поскольку усилитель класса A работает в линейной области, напряжение смещения постоянного тока (или затвора) базы транзисторов должно быть выбрано правильно, чтобы обеспечить правильную работу и низкий уровень искажений. Однако, поскольку выходное устройство постоянно включено, оно постоянно проводит ток, который представляет собой постоянную потерю мощности в усилителе.

Из-за этой постоянной потери мощности усилители класса A создают огромное количество тепла, добавляя к их очень низкому КПД около 30%, что делает их непрактичными для мощных усилителей. Кроме того, из-за высокого тока холостого хода усилителя, источник питания должен иметь соответствующие размеры и быть хорошо отфильтрованными, чтобы избежать любого гула и шума усилителя. Поэтому из-за низкой эффективности и проблем перегрева усилителей класса A были разработаны более эффективные классы усилителей.

Усилитель класса B

Усилители класса B были изобретены как решение проблем эффективности и нагрева, связанных с предыдущим усилителем класса A. Усилитель базового класса B использует два дополнительных транзистора, либо биполярные из полевых транзисторов, для каждой половины формы сигнала, а его выходной каскад сконфигурирован по схеме «двухтактный», так что каждое транзисторное устройство усиливает только половину выходного сигнала.

В усилителе класса B отсутствует базовый ток смещения постоянного тока, поскольку его ток покоя равен нулю, так что мощность постоянного тока мала, и, следовательно, его эффективность намного выше, чем у усилителя класса А. Однако цена, уплачиваемая за повышение эффективности, заключается в линейности коммутационного устройства.

картинка-схема усилителя класса Вкартинка-схема усилителя класса В

Когда входной сигнал становится положительным, транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор выключен. Аналогично, когда входной сигнал становится отрицательным, положительный транзистор выключается, а отрицательный смещенный транзистор включается и проводит отрицательную часть сигнала. Таким образом, транзистор проводит только половину времени либо в положительном, либо в отрицательном полупериоде входного сигнала.

Затем мы можем видеть, что каждое транзисторное устройство усилителя класса B проводит только через половину или 180 градусов выходного сигнала в строгом временном чередовании, но поскольку выходной каскад имеет устройства для обеих половин сигнала, эти две половины объединяются вместе для получения полного линейного выходного сигнала.

Эта двухтактная конструкция усилителя, очевидно, более эффективна, чем класс A, примерно на 50%, но проблема с конструкцией усилителя класса B заключается в том, что она может создавать искажения в точке пересечения нуля сигнала из-за мертвой зоны транзисторов входных базовых напряжений от -0,7 В до +0,7.

Мы помним из учебника по транзисторам, что требуется напряжение базового эмиттера около 0,7 вольт, чтобы заставить биполярный транзистор начать проводку. Затем в усилителе класса B выходной транзистор не «смещен» до состояния «ВКЛ», пока не будет превышено это напряжение.

Это означает, что та часть сигнала, которая попадает в это окно 0,7 В, не будет воспроизводиться точно, что делает усилитель класса B непригодным для применения в прецизионных усилителях звука.

Чтобы преодолеть это искажение при пересечении нуля (также известное как перекрёстное искажение), были разработаны усилители класса AB.

Усилитель класса AB

Как следует из названия, усилитель класса AB представляет собой комбинацию усилителей типа «класс A» и «класс B», которые мы рассмотрели выше. Классификация усилителя AB в настоящее время является одним из наиболее распространенных типов конструкции усилителя мощности звука. Усилитель класса AB является разновидностью усилителя класса B, как описано выше, за исключением того, что обоим устройствам разрешено проводить в одно и то же время вокруг точки пересечения осциллограмм, что устраняет проблемы искажения кроссовера предыдущего усилителя класса B.

Два транзистора имеют очень небольшое напряжение смещения, обычно от 5 до 10% от тока покоя, чтобы сместить транзисторы чуть выше его точки отсечки. Тогда проводящее устройство, либо биполярное из полевого транзистора, будет включено в течение более одного полупериода, но намного меньше, чем один полный цикл входного сигнала. Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше, чем половину цикла проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Другими словами, угол проводимости усилителя класса AB находится где-то между 180 o и 360 o в зависимости от выбранной точки смещения.

картинка-схема усилителя класса АВкартинка-схема усилителя класса АВ

Преимущество этого небольшого напряжения смещения, обеспечиваемого последовательными диодами или резисторами, состоит в том, что перекрестное искажение, создаваемое характеристиками усилителя класса B, преодолевается без неэффективности конструкции усилителя класса A. Таким образом, усилитель класса AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, при этом эффективность преобразования достигает примерно от 50% до 60%.

Усилитель класса C

Конструкция усилителя класса C обладает наибольшей эффективностью, но самой плохой линейностью среди классов усилителей, упомянутых здесь. Предыдущие классы A, B и AB считаются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходных сигналов линейно связаны с амплитудой и фазой входных сигналов.

Однако усилитель класса C сильно смещен, так что выходной ток равен нулю в течение более половины цикла синусоидального входного сигнала, когда транзистор находится в режиме ожидания в точке его отключения. Другими словами, угол проводимости для транзистора значительно меньше 180 градусов и, как правило, составляет около 90 градусов.

Хотя эта форма смещения транзистора дает значительно улучшенную эффективность усилителя, составляющую примерно 80%, она вносит очень сильные искажения в выходной сигнал. Поэтому усилители класса C не подходят для использования в качестве усилителей звука.

картинка-схема усилителя класса Скартинка-схема усилителя класса С

Из-за сильного искажения звука усилители класса C обычно используются в высокочастотных синусоидальных генераторах и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, генерируемые на выходе усилителей, могут быть преобразованы в синусоидальные волны определенной частоты использование LC резонансных цепей в его коллекторной цепи.

Другие распространенные классы усилителей

  • Усилитель класса D — это нелинейный импульсный усилитель или ШИМ-усилитель. Усилители класса D теоретически могут достигать 100% эффективности, так как в течение цикла не существует периода, когда формы напряжения и тока перекрываются, так как ток подается только через включенный транзистор.
  • Усилитель класса F повышают как эффективность, так и выходную мощность благодаря использованию гармонических резонаторов в выходной сети для преобразования формы выходного сигнала в прямоугольную волну. Усилители класса F способны обеспечить высокую эффективность более 90%, если используется бесконечная гармоническая настройка.
  • Усилитель класса G предлагает усовершенствования конструкции усилителя базового класса AB. Класс G использует несколько шин питания различных напряжений и автоматически переключается между этими линиями питания при изменении входного сигнала. Такое постоянное переключение снижает среднее энергопотребление и, следовательно, потери мощности, вызванные потерей тепла.
  • Усилитель класса I имеет два набора дополнительных выходных переключающих устройств, расположенных в параллельной двухтактной конфигурации, причем оба набора переключающих устройств дискретизируют один и тот же входной сигнал. Одно устройство переключает положительную половину сигнала, а другое переключает отрицательную половину, как усилитель класса B. При отсутствии входного сигнала или когда сигнал достигает точки пересечения нуля, переключающие устройства включаются и выключаются одновременно с рабочим циклом ШИМ 50%, что отменяет любые высокочастотные сигналы. Для получения положительной половины выходного сигнала выходной сигнал положительного переключающего устройства увеличивается в рабочем цикле, тогда как отрицательное переключающее устройство уменьшается на то же самое, и наоборот. Считается, что два токовых сигнала переключения чередуются на выходе, давая усилителю класса I имя: «чередующийся ШИМ-усилитель», работающий на частотах переключения более 250 кГц.
  • Усилитель класса S — это усилитель нелинейного режима переключения, аналогичный по своему действию усилителю класса D. Усилитель класса S преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с помощью дельта-сигма-модулятора и усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность, прежде чем окончательно демодулировать с помощью полосового фильтра. Поскольку цифровой сигнал этого переключающего усилителя всегда либо полностью включен, либо выключен (теоретически нулевое рассеивание мощности), возможны коэффициенты полезного действия, достигающие 100%.
  • Усилитель класса T — это еще один тип цифрового усилителя с коммутацией. Усилители класса T в наши дни становятся все более популярными в качестве конструкции усилителя звука из-за наличия микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и многоканальных усилителей объемного звука, поскольку он преобразует аналоговые сигналы в сигналы с цифровой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для усиление, увеличивающее эффективность усилителей. Конструкции усилителей класса T сочетают в себе уровни сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB и коэффициент полезного действия усилителя класса D.

Мы видели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Краткое описание классов усилителей

Мы увидели, что рабочая точка постоянного тока Q усилителя определяет классификацию усилителя. Устанавливая положение точки Q наполовину на линии нагрузки кривой характеристик усилителей, усилитель будет работать как усилитель класса А. Перемещая Q вниз по линии нагрузки изменит усилитель в классе АВ, В или С.

Тогда класс работы усилителя относительно его рабочей точки постоянного тока может быть задан как:

диаграмма классов усилителейдиаграмма классов усилителей

Мы рассмотрели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Таблица классов усилителей по углу проводимости

Усилители класса АВ, В и С могут быть определены в терминах угла проводимости θ следующим образом:

Классы усилителейОписаниеУгол проводимости
Класс АПолный цикл 360 o проводимостиθ = 2π
Класс ВПоловина цикла 180 o проводимостиθ = π
Класс ABЧуть более 180 o проводимостиπ <θ <2π
Класс СЧуть менее 180 o проводимостиθ <π
От класса D до TВКЛ-ВЫКЛ нелинейное переключениеθ = 0

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.

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.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс А.png

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.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс В.png

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.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс АВ.png

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]

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс С.png

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.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Классы усилителей.png

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.

Усилитель мощности в классе А со сверхбыстродействующей ОООС / Stereo.ru

Увлекаться аудиотехникой и слушать музыку я начал очень давно, с конца 80-х годов и продолжительное время был твердо убежден, что любой УМ с лейблом Sony, Technics, Revox и т.д. намного лучше отечественных усилителей, а самоделок – тем более, так как у западных брендов и технологии, и самые качественные детали, и опыт.

Все изменилось после статьи А.М. Лихницкого в журнале Аудиомагазин № 4(9) 1996, где рассказывалось о разработке и внедрении в производство в 70-е годы усилителя Бриг-001, автором которого он является. Волею случая, спустя небольшой промежуток времени, неисправный Бриг-001 из первых выпусков попал мне в руки. Используя только оригинальные отечественные детали 70-х - 80-х годов, привел этот УМ в первоначальное состояние, чтобы можно было оценить его звуковые способности как можно более достоверно.

Подключение усилителя Бриг-001 вместо Technics SU-A700 домашней аудиосистемы повергло меня в шок – Бриг звучал намного лучше, хотя параметры имел скромнее и был старше лет на 20. Именно в этот момент возникла идея сделать усилитель своими руками, способный заменить штатный в аудиосистеме, что и было сделано в 1998 году, преимущественно, на отечественной элементной базе военной приемки. Новый аппарат не оставлял шансов на сравнительных прослушиваниях уже и более именитым усилителям, типа NAD и Rotel средних моделей линейки и был вполне убедителен даже в сравнении с их более старшими собратьями. Дальнейшее развитие проект получил в 2000-м году, в виде двухблочного УМ по той же схеме, но с новым конструктивом и увеличенной энергоемкостью блока питания. Сравнивался он уже с транзисторными и ламповыми усилителями из ценовой категории до нескольких тысяч долларов США, причем, во многих случаях превосходил их по качеству звучания. Тут я понял еще одну вещь – конструкция усилителя решает почти все.

Анализируя результаты прослушиваний, особенно с участием тех усилителей, которые звучали лучше моего двухблочного УМ, я пришел к выводу, что чаще на высоте оказывались либо хорошие ламповые конструкции, либо транзисторные без общей ООС. Были среди них и УМ с глубокой ОООС, в спецификациях которых нередко красовались очень высокие значения скорости нарастания выходного напряжения – 200 В/мкс и выше. Как правило, эти аппараты были дорогие, а их схемотехника отсутствовала в открытом доступе. Мой оконечник тоже имел достаточно глубокую ОООС, но невысокое по сравнению с ними быстродействие – около 50 В/мкс, при сопоставимом выходном напряжении. Ему иногда не хватало способности передать в полной мере натуральность тембров музыкальных инструментов и голосов исполнителей, эмоции музыкантов. На некоторых композициях подача музыки упрощалась, часть тембрального богатства скрывалось за некой тонкой серой вуалью. Наверное, это и называют «транзисторным звучанием», присущим УМ с обратной связью.

Причины «транзисторного» звука в УМ с ОООС неоднократно обсуждались и на форумах, и в книгах по схемотехнике, и в публикациях журналов, соответствующих данной тематике. Одна из известных версий, которой и я придерживаюсь, заключается в том, что низкое выходное сопротивление охваченных общей ООС усилителей, измеренное на синусоидальном сигнале и активной нагрузке, совсем не остается таковым при воспроизведении музыки на АС, что позволяет сигналам противо-ЭДС от динамических головок проникать с выхода усилителя по цепям обратной связи на его вход. Эти сигналы не вычитаются ОООС, так как уже отличаются по форме и имеют фазовый сдвиг относительно исходных, поэтому они благополучно усиливаются и снова попадают в акустические системы, вызывая дополнительные искажения и посторонние звуки в аудиотракте. Методы борьбы с этим эффектом периодически обсуждаются. Как примеры, можно привести следующие:

1. «Ложный» канал ОООС, когда ее сигнал снимается с одного из параллельно включенных элементов оконечного каскада, который не подсоединен к АС, а нагружен на резистор определенного номинала.

2. Снижение выходного сопротивления УМ еще до охвата ОООС.

3. Увеличение быстродействия внутри петли ОООС до «космических» скоростей.

Естественно, что самый действенный способ борьбы с артефактами ОООС - это исключение ее из схемотехники УМ, но мои попытки построить что-то стоящее без ОООС на транзисторах не увенчались успехом. Начинать с нуля в сфере ламповой аудиотехники посчитал уже нецелесообразным для себя. Способ из пункта «1» вызывал много вопросов, поэтому начал опыты с увеличением быстродействия внутри петли обратной связи, учитывая и пункт «2». Хотелось бы сразу обратить внимание на тот факт, что скорость нарастания выходного напряжения, достаточная для правильного воспроизведения усилителем атаки звука музыкальных инструментов, является величиной относительно небольшой, а ее сверхвысокие значения актуальны только по отношению к работе ОООС.

Понятно, что в усилителях с общей ООС не все проблемы решаются увеличением скорости нарастания, но основная мысль была в следующем, при прочих равных параметрах: чем выше скорость внутри петли ОООС, тем быстрее будут затухать «хвосты» некомпенсированных обратной связью сигналов и что должен быть какой-то порог их заметности на слух, учитывая снижение длительности артефактов с повышением быстродействия. Двигаясь по этому направлению, очень быстро столкнулся с проблемой приблизиться хотя бы к планке 100 В/мкс в УМ на дискретных элементах - при наличии в схеме каскадов на мощных транзисторах все оказалось гораздо сложнее. В усилителях с обратной связью по напряжению высокое быстродействие у меня никак «не вязалось» с устойчивостью, а в УМ с ТОС (с токовой обратной связью) не удавалось, без применения интегратора, получить на выходе приемлемый уровень постоянного напряжения, хотя со скоростью все было в порядке, да и с устойчивостью проблемы решались. Интегратор меняет звучание не в лучшую сторону, по моему мнению, поэтому очень хотелось обойтись без него.

Ситуация была практически тупиковая и уже не первый раз возникали мысли, что если создавать усилитель мощности с ООС по напряжению, то используя топологию предварительного или телефонного усилителя, гораздо проще будет сделать его быстродействующим, широкополосным, устойчивым и без интегратора, что, по моему мнению, должно положительно сказаться на качестве звучания. Оставалось только придумать, как это реализовать. Почти 10 лет решения не было, но за это время была проведена домашняя «НИР» по исследованию влияния скорости нарастания выходного напряжения внутри петли общей ООС на качество звучания, для чего был создан макет, позволяющий проводить испытания различных композитных усилителей на ОУ.

Результаты моей «НИР» были такими:

1. Быстродействие и полоса пропускания композитного усилителя должны увеличиваться от входа к выходу.

2. Коррекция только однополюсная. Никаких конденсаторов в цепях ООС.

3. Для усилителя с максимальным выходным напряжением 8.5 В RMS, при глубине ОООС около 60 дБ, заметный прирост в качестве звука появляется где-то в интервале 40-50 В/мкс, а затем - уже ближе к 200 В/мкс, когда у усилителя практически перестает быть «слышно» ОООС.

4. Свыше 200 В/мкс заметного улучшения не наблюдалось, но для УМ с выходным напряжением 20 В RMS, к примеру, нужно уже 500 В/мкс для достижения такого же результата.

5. Входные и выходные фильтры, ограничивающие полосу УМ, проявляют себя в звучании далеко не лучшим образом, даже если частота среза существенно выше верхней границы звукового диапазона.

После неудачных опытов с УМ на дискретных элементах, мой взор обратился к быстродействующим ОУ и интегральным буферам, имеющим наибольший выходной ток. Результаты поиска были неутешительные – все приборы с большим выходным током безнадежно «медленные», а быстродействующие имеют низкое допустимое напряжение питания и не очень большой выходной ток.

В 2008 году, случайно, в Интернете нашлось дополнение к спецификации на интегральный буфер BUF634T, где самими разработчиками приводилась схема композитного усилителя с тремя такими буферами на выходе, соединенными параллельно (рис. 1) – именно тогда пришла идея спроектировать УМ с большим количеством таких буферов в выходном каскаде.

BUF634T – это широкополосный (до 180 МГц), сверхбыстродействующий (2000 В/мкс) буфер, построенный на основе параллельного повторителя, имеющий выходной ток 250 мА и ток покоя до 20 мА. Единственный его недостаток, можно сказать, - это низкое напряжение питания (+\- 15 В номинальное и +\- 18 В – максимально допустимое), что накладывает определенные ограничения на амплитуду выходного напряжения.

Остановил все-таки свой выбор на BUF634T, смирившись с низким выходным напряжением, так как все остальные характеристики буфера и его звуковые свойства меня полностью устраивали, и начал проектировать УМ с максимальной выходной мощностью 20 Вт/4Ом.

Рис.1

Выбор количества элементов выходного каскада свелся к тому, чтобы получить УМ, работающий в чистом классе А на нагрузку 8 Ом и обеспечить режимы элементов выходного каскада по току далекие от предельных. Требуемое количество определилось как 40+1. Для дополнительного 41-го буфера был установлен минимальный ток покоя - всего 1.5 мА, а использовать его предполагалось для того, чтобы осуществить первый запуск конструкции еще до установки радиаторов, а также с целью проведения некоторых настроек и экспериментов в более комфортных условиях. Впоследствии оказалось, что это была очень хорошая идея.

Как известно, параллельное соединение интегральных микросхем не приводит к увеличению общего уровня шума и Кг, но снижается входное сопротивление такого модуля и растет его входная емкость. Первое - не критично: входное сопротивление BUF634T составляет 8 МОм и, соответственно, суммарное не будет ниже 195 кОм, что более чем приемлемо. С входной емкостью ситуация на так радужна: 8 пФ на буфер дает 328 пФ общей входной емкости, что является уже заметной величиной и негативно скажется на работе раскачивающего ОУ (рис. 1). Для глобального снижения выходного сопротивления драйвера оконечного каскада, перед ним был введен еще один ОУ, охваченный собственной петлей ООС. Таким образом, схема выросла в тройной композитный усилитель, но в котором выполнялись все пункты результатов моей «НИР». После многочисленных экспериментов определился состав УН композитного усилителя: AD843 занял место входного ОУ, а мощный быстродействующий ОУ AD811, с токовой ООС, был призван выполнять функции выходного буфера драйверного каскада. Для гарантированного получения требуемого быстродействия УМ (свыше 200 В/мкс) коэффициент усиления AD811 был выбран равным двум, что в идеале удваивало имеющиеся 250 В/мкс у AD843 и позволяло надеяться, что при соответствующей схемотехнике и удачном конструктиве удастся сохранить требуемое значение скорости нарастания выходного напряжения для полной схемы УМ. Забегая вперед, отмечу, что ожидания оправдались – реальное значение этого параметра с буферами на выходе получилось более 250 В/мкс.

Общая схема усилителя претерпела множество изменений за время настройки и доводки, поэтому приведу сразу финальный вариант, который включает в себя все исправления и доработки (рис. 2).

Рис. 2

Структура проста – селектор входов, регулятор громкости, УН, буферный усилитель для записи на магнитофон, оконечный каскад и реле защиты, которое управляется оптоэлектронной схемой задержки подключения АС и защиты их от постоянного напряжения (рис.3). Для компактности, буферы и сопутствующие им резисторы объединены по 10 шт, но нумерация деталей сохранена в полном объеме. Как видно на рис. 2, контактная группа реле защиты УМ (К6) не включена в цепь прохождения звука и замыкает выход на землю во время переходных процессов или возможных аварийных ситуаций.

Рис. 3

Для BUF634T такое включение не опасно, тем более что все буферы имеют на выходе по резистору 10 Ом. Во избежание потери устойчивости усилителем, из-за замыкания на землю резистора ОООС (R15), одновременно со срабатыванием реле К6 замыкается и реле К5, образующее временную цепь ОООС драйверного каскада через резистор R14. Если номиналы резисторов R14 и R15 равны, то никаких посторонних щелчков в АС во время работы защиты нет, даже если они чувствительностью свыше 100 дБ.

Стоит заметить, что первый год эксплуатации усилитель надежно функционировал и без реле К5, и без временной цепи ООС с R14, но мне не давала покоя сама вероятность возникновения самовозбуждения во время работы защиты, поэтому были введены эти дополнительные элементы. Кстати, усилитель прекрасно работает и без охвата оконечного каскада цепью ОООС. Можно убрать резистор R15, реле К5, а резистором R14 замкнуть обратную связь в УН, что я и делал, в качестве эксперимента. Мне так звук понравился меньше – возможно, что это тот вариант, когда от использования сверхбыстродействующей обратной связи получаем больше плюсов, чем минусов.

На схеме также видно, что один из 4-х входов (вход CD) переводит УМ в режим усилителя постоянного тока (УПТ), а с входа LP (проигрыватель виниловых дисков) реализована функция «Tape Monitor», причем без дополнительных контактных групп в цепи прохождения сигнала. Являюсь поклонником аналоговой записи, поэтому сделал для себя именно так. Если в аудиосистеме нет аналоговых звукозаписывающих устройств, то блок на ОУ IC1 можно исключить.

На схеме не показаны блокировочные конденсаторы по питанию – они для удобства будут отображены на схеме БП.

Идеология этого усилителя в значительной степени отличается от классической и основывается на принципе разделения токов – каждый элемент оконечного каскада работает с малым током, в очень комфортном режиме, но достаточное количество этих элементов, включенных параллельно, могут обеспечить данному 20-Ваттному усилителю максимальный ток в нагрузке более 10 А постоянно и до 16 А в импульсе. Таким образом, выходные каскады нагружены во время прослушивания, в среднем, не более чем на 5-7%. Единственное место в усилителе, где могут проходить большие токи, – это две медные шины на плате УМ, ведущие к терминалам для подключения АС, куда сходятся вместе выходы всех BUF634T каждого канала.

В рамках этой же идеологии был разработан и блок питания УМ (рис.4) – в нем также все силовые элементы работают с относительно небольшими токами, но их тоже много, и в результате суммарная мощность БП в 4 раза превышает максимальную потребляемую усилителем. БП – это одна из самых важных частей в усилителе, которую, с моей точки зрения, стоит рассмотреть подробнее. Усилитель построен по технологии «двойное моно» и поэтому содержит на «борту» два независимых БП для сигнальных цепей, полностью стабилизированных, мощностью по 150 Вт каждый, отдельные стабилизаторы для усилителя напряжения, а также БП для обеспечения сервисных функций, с питанием от отдельного сетевого трансформатора 20 Вт. Все сетевые трансформаторы БП фазированы между собой – при изготовлении трансформаторов были помечены проводники начала и конца первичных обмоток.

Рис. 4

Силовая часть каждого канала разделена на 4 двухполярных линии, что позволило снизить ток нагрузки каждого стабилизатора до величины всего 200 мА, и увеличить падение напряжения на них до 10 В. В таком режиме даже простые интегральные стабилизаторы типа LM7815 и LM7915 прекрасно себя зарекомендовали в питании звуковых цепей. Можно было использовать более «продвинутые» микросхемы LT317 и LT337, но в наличии имелось много оригинальных LM7815С и LM7915С от Texas Instruments, с выходом 1.5 А, что и определило выбор. Суммарно, питание сигнальных цепей усилителя обеспечивается с помощью двадцати таких интегральных стабилизаторов – 4 для УН и 16 для ВК (рис.4). Каждая пара стабилизаторов силовой части питает 10 шт. BUF634T. Одна пара стабилизаторов для УН нагружена связкой AD843+AD811 одного канала. RC цепь (R51, C137, к примеру) перед стабилизаторами УН имеет двойное назначение: защищает выпрямитель от броска тока при включении питания УМ и образует фильтр с частотой среза ниже края звукового диапазона (около 18 Гц), который заметно снижает амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения и уровень других помех, что немаловажно для входных каскадов.

Еще одной особенностью блока питания является то, что основная часть всех конденсаторов фильтра (160000 мкФ из 220000 мкФ) находятся после стабилизаторов, что дает возможность отдавать в нагрузку большой ток, при необходимости. Однако это потребовало введения системы мягкого старта «Soft Start» для защиты стабилизаторов при включении усилителя и начальном заряде батареи емкостей. Как видно на рис. 4, Soft Start реализован достаточно просто, на одном транзисторе (VT1), который с задержкой (порядка 9 с) подключает слаботочное реле К10, включающее, в свою очередь, 4 сильноточных реле К11-К14, с четырьмя группами контактов в каждом, замыкающих 16 ограничивающих ток резисторов номиналом 10 Ом (R20, R21, к примеру). То есть, во время включения усилителя, максимальный пиковый ток каждого стабилизатора жестко ограничен величиной 1.5 А, что является для него нормальным режимом работы. «Soft Start» в первичной цепи 220 В не использую – в случае обрыва ограничивающего ток резистора или потери контакта в местах пайки его выводов возможны тяжелые последствия для всего УМ.

На БП для сервисных функций возложено подключение сетевого напряжения к основным трансформаторам (реле К8), питание компонентов системы Soft Start, реле селектора входов, напряжение питания которых, кстати, тоже стабилизировано. Реализован также выход +5 В, выведенный на разъем на задней панели УМ, – это уже некий стандарт в моих усилителях для одновременного включения каких-либо внешних блоков. Данный усилитель вполне может работать как усилительно-коммутационное устройство (предварительный усилитель) для более мощных моноблоков, к примеру, которые будут включаться при подаче на них управляющего напряжения +5 В.

Блок питания усилителя был построен в первую очередь, так как дальнейшее продвижение процесса разработки требовало наличие полноценного БП, чтобы первый запуск, эксперименты и настройку производить в режиме близком к реальным условиям эксплуатации. После успешного запуска всех цепей питания, на плате УМ был собран селектор входов, узел задержки включения и защиты АС, а также композитный усилитель с одним BUF634T (BUF41) на выходе, в качестве оконечного каскада. Как уже упоминалось выше, этот 41-й буфер имеет малый ток покоя и не требует установки на радиатор, но к выходу усилителя теперь запросто подключались наушники, что давало возможность слухового контроля, наряду с измерениями. По окончании отладки схемы с одним выходным буфером в каждом канале, оставалось только впаять остальные 80 шт. и посмотреть, что из этого получится. Никаких гарантий положительного результата у меня не было, да и быть не могло - отсутствовала информация об успешно реализованных подобных проектах других разработчиков. Насколько мне известно, конструкций на параллельных ОУ, имеющих аналогичное быстродействие, ни в России, ни за рубежом нет и сейчас.

Результат все же оказался положительным. Так как усилитель был собран на жестком шасси из алюминиевых брусков, где были закреплены и все коммутационные разъемы (фото 1), то подключить его к аудиосистеме возможно было и без корпуса. Начались первые прослушивания, но об этом чуть позже - сначала, приведу некоторые параметры:

Фото 1

Выходная мощность: 20 Вт/4Ом, 10 Вт/8Ом (класс А)

Полоса пропускания: 0 Гц – 5 МГц (вход CD)

1.25Гц - 5 МГц (входы AUX, Tape, LP)

Скорость нарастания выходного напряжения: более 250 В/мкс

Коэффициент усиления: 26 дБ

Выходное сопротивление: 0.004 Ом

Входное сопротивление: 47 кОм

Чувствительность входов: 500 мВ

Отношение сигнал/шум: 113.4 дБ

Потребляемая мощность: 75 Вт

Мощность блока питания: 320 Вт

Габаритные размеры, мм: 450х132х390 (без учета высоты ножек)

Вес: 18 кг

На основании параметров, даже не заглядывая в схему, очевидно, что в усилителе отсутствуют входные и выходные фильтры, а также внешние цепи частотной коррекции. Но стоит заметить, что при этом он устойчив и прекрасно работает даже с неэкранированными межблочными кабелями. Достаточно информативна в этом отношении и осциллограмма меандра 2 кГц 5В/дел, на нагрузке 8 Ом при почти максимальном уровне выходного напряжения (Фото 2).

Фото 2

С моей точки зрения, это заслуга правильной разводки проводников «земли», а также большая площадь их поперечного сечения: от 4 кв.мм. до 10 кв.мм. (включая дорожки на печатных платах).

Есть осциллограммы, снятые и на частотах 10кГц, 20кГц и 100кГц, но проверки на высоких частотах проводились с малым уровнем сигнала, поэтому уже сказывалось наличие высокоОмного регулятора громкости на входе, а также R-C цепь Цобеля на выходе УМ, которая еще присутствовала в то время (меандр 100 кГц 50мВ/дел - фото 3).

Фото 3

При первом же прослушивании в домашней аудиосистеме стало понятно, что аппарат звучит и что пора заказывать корпус, чтобы можно было поехать с ним на «гастроли»:) С момента завершения работ над проектом и первого прослушивания прошло уже более 5 лет. В течение этого времени были проведены десятки (более 70-ти, по грубым подсчетам) сравнительных прослушиваний усилителя с эксклюзивными ламповыми и транзисторными УМ от известных производителей, а также с авторскими конструкциями высокого уровня. Исходя из полученных экспертных оценок, можно сказать, что усилитель не уступает по натуральности звучания большинству прослушанных двухтактных и однотактных ламповых и транзисторных усилителей, построенных без использования отрицательной обратной связи, но часто существенно их превосходит по музыкальному разрешению. Многие любители лампового звука и приверженцы однотактных УМ без ООС замечали, что в данной конструкции практически не «слышна» работа отрицательной обратной связи и «ничем себя не выдает» наличие в схеме двухтактных выходных каскадов.

Усилитель подключался к различной акустике – это и АС известных российских производителей: Александра Клячина (модели: MBV (MBS), PM-2, N-1, Y-1), рупорные АС Александра Князева, полочные АС на профессиональных динамиках фирмы Tulip Acoustics, АС иностранных брендов средней и высокой ценовой категории: Klipsh, Jamo, Cerwin Vega, PBN Audio, Monitor Audio, Cabasse и многих других, с разной чувствительностью и входным импедансом, многополосные со сложными и простыми разделительными фильтрами, широкополосные без разделительных фильтров, АС с разным акустическим оформлением. Особых предпочтений выявлено не было, но лучше всего УМ раскрывается на напольной акустике с полноценным НЧ диапазоном и, желательно, чувствительностью повыше, так как выходная мощность невелика.

На начальном этапе прослушивания организовывались не с целью «спортивного» интереса – их основная задача состояла в выявлении каких-либо артефактов в звучании, которые можно попытаться исправить. Очень информативные и полезные с этой точки зрения прослушивания были в аудиосистеме Александра Клячина, где имелась уникальная возможность оценить звучание усилителя сразу на 4-х различных моделях АС, причем одни из этих АС (Y-1) так понравились, что вскоре стали компонентами моей домашней аудиосистемы (Фото 4). Естественно, что было очень приятно получить высокую оценку своему изделию и некоторые замечания от аудиоэксперта, имеющего огромный опыт.

Фото 4

Аудиосистема известного мэтра российского Hi-End Юрия Анатольевича Макарова (фото 5, УМ на прослушивании), построенная в специально оборудованной комнате прослушивания и являющаяся референсной во всех отношениях, внесла основные коррективы в конструкцию данного усилителя: была удалена цепь Цобеля с выхода УМ и основной вход сделан в обход разделительного конденсатора. В этой аудиосистеме слышно все и даже больше, поэтому трудно переоценить ее вклад и советы Юрия Анатольевича в процесс доводки звучания усилителя. Состав его аудиосистемы: источник – транспорт и ЦАП с отдельным блоком питания Mark Levinson 30.6, АС Montana WAS от PBN Audio, бескомпромиссный однотактный ламповый усилитель «Император» и все антифазные кабели конструкции Ю.А. Макарова. Нижняя граничная частота АС Montana WAS 16 Гц (-3 дБ) позволила оценить «вклад» разделительного конденсатора, причем достаточно качественного (MKP Intertechnik Audyn CAP KP-SN), в искажения НЧ диапазона музыкального сигнала, а высочайшее музыкальное разрешение аудиосистемы - услышать негативное влияние выходного фильтра, в виде R-C цепи Цобеля, которая не оказывала никакого влияния на устойчивость усилителя и вскоре была удалена с платы. Подключение внешних низкоОмных регуляторов громкости от 100 Ом до 600 Ом (штатный РГ ставился в положение максимум) дало понимание того факта, что даже высококачественный дискретный регулятор DACT 50 кОм, использованный в моем усилителе, неплохо было бы заменить на меньший номинал (из подключаемых внешних мне показался лучшим РГ 600 Ом), но для этого пришлось бы достаточно много переделывать и было принято решение реализовать это и другие накопившиеся усовершенствования уже в новом проекте.

Фото 5

Наверное, стоит упомянуть и об участии усилителя в Выставке в 2011 году (фото 6), как единственного некоммерческого проекта, материал о которой был опубликован в журнале Stereo&Video за январь 2012 года, где УМ был назван «открытием года». Демонстрация шла с АС Tulip Acoustics, имеющих чувствительность 93 дБ при сопротивлении 8 Ом и, как ни странно, имеющихся 10 Вт/8 Ом оказалось достаточно в большом зале с высоким уровнем фонового шума. 10 Вт от усилителя в классе А, у которого каждый Ватт выходной мощности достаточно обеспечен энергоемкостью блока питания, воспринимаются субъективно громче, по моим наблюдениям, чем звучание усилителя с более высокой выходной мощностью, но с оконечными каскадами, содержащимися на «голодном пайке».

Фото 6

После Выставки, ко мне участились обращения через электронную почту и личные сообщения форумов от желающих повторить проект, но возникали определенные сложности –информационная поддержка представлялась всем желающим, но мои платы были нарисованы на миллиметровой бумаге, с двух сторон, и не годились для сканирования в файл, так как бумага просвечивалась насквозь, и получался практически нечитаемый рисунок. Без готовой печатной платы повторение конструкции сильно усложнялось и энтузиазм угасал. Теперь, на форуме портала Vegalab.ru, доступна электронная версия платы, автором которой является известный на русскоязычных форумах специалист по разводке печатных плат Владимир Лепехин из Рязани. Плата находится в свободном доступе, ссылка на нее есть в первом посте темы про этот усилитель. Тему найти очень просто: достаточно набрать фразу «Prophetmaster amplifier» в строке поиска Яндекса или другой поисковой программы. Именно на этой плате одному из участников форума Vegalab - Сергею из Гомеля (Serg138) удалось повторить данный проект и получить очень хороший результат. Информацию о данной реализации УМ и фото его конструкции также можно найти в соответствующей теме, по ссылкам в первом посте.

Несколько советов:

При выборе электролитических конденсаторов руководствовался собственными измерениями ESR и тока утечки, поэтому стоят оригинальные Jamicon. Специально вставил слово «оригинальные», потому что их очень часто подделывают и многие уже, наверное, сталкивались с некачественными изделиями под маркой этого производителя. А реально, это одни из лучших конденсаторов для использования в питании звуковых цепей.

Регулятор громкости установлен DACT 50 кОм. Сейчас, я бы выбрал их наименьший номинал – 10 кОм или использовал бы релейный регулятор Никитина с постоянным входным и выходным сопротивлением 600 Ом. РГ типа ALPS RK-27 будет намного хуже и не рекомендуется к использованию.

В шунтах электролитов установлено, суммарно, более 90 мкФ пленочных конденсаторов. На моих платах «винтажные» Evox 70-х годов, которые достались по случаю, но ничем не хуже будут полипропиленовые Rifa PEh526, Wima MKP4, WimaMKP10.

Реле рекомендую Finder в силовой части, защитеАС и софтстарте, а для селектора входов нужно использовать только такие реле, у которых в параметрах нормирован минимальный коммутируемый ток. Таких реле выпускается немного моделей, но они есть.

Отечественные быстродействующие выпрямительные диоды КД213 (10 А) или КД2989 (20 А) в питании оконечного каскада будут лучше большинства импортных.

Хочу заметить, что схемотехника усилителя достаточно проста, но для работы со столь быстродействующими и широкополосными микросхемами нужны соответствующие навыки и измерительные приборы – функциональный генератор, осциллограф с полосой не менее 30 МГц (лучше - 50 МГц).

В заключение, хотелось бы сказать, что сделанные мной выводы по результатам проведенных экспериментов, а также в течение работ над данным проектом и последующей его доводки, не претендуют на абсолютную истину. Путей достижения цели, которой в данном случае является качественный звук, достаточно много и каждый из них подразумевает комплекс мер, которые могут не давать положительного результата по отдельности. Поэтому, простых рецептов в этой области не бывает.

Статья была опубликована в журнале Радиолюбитель, в номерах 7 и 8 за 2014 год.

Фотографии усилителя на сайте датской компании DACT:

http://www.dact.com/html/prophetmaster.html

Мой канал на Яндекс Дзен

С уважением, Олег Шаманков (Prophetmaster)

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

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.

Продолжение следует...

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Про мощность колонок и усилителей [видео]

• Праздник, который всегда с тобой: как выбрать портативный аудиопроигрыватель

• От критиков к алгоритмам: лейблы, корпорации и музыкальная культура XX века

Усилители мощности классов

(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 со звуком, предусилитель и усилители мощности - это два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, помимо этой специфической цели применения, 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 рабочие характеристики и характеристики усилителя. Усилители мощности разных типов дают разные отклики при пропускании через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям назначаются 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 звуковых усилителей - 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 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 также 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 все время и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

CLASS A Amplifier

Как видно на изображении, активный элемент один - транзистор. Смещение транзистора остается включенным все время. Благодаря этой функции постоянного отключения усилитель класса A обеспечивает лучшую стабильность на высоких частотах и ​​петле обратной связи .Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко собрать из одного компонента и минимального количества деталей.

Несмотря на достоинства и высокую линейность, безусловно, имеет множество ограничений. Усилитель класса A из-за непрерывной проводимости имеет высокие 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 нежелательного шума и минимизировать искажения.

Из-за высоких потерь мощности в усилителе класса A он выделяет тепло и требует большего радиатора. Усилители класса A 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 эффективность 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. Создается с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла , то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный токовый привод нагрузки.

CLASS B Amplifier

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 на половине цикла, и за счет этого эффективность повышается, по сравнению с КПД усилителя класса A 25-30%, теоретически он обеспечивает КПД более 60%. Мы можем увидеть график входного и выходного сигналов каждого устройства на изображении ниже. Для усилителя класса B КПД не более 78%. Тепловыделение в этом классе сведено к минимуму, обеспечивая небольшой радиатор .

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, возникает рассогласование (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. Эту ошибку сложно исправить в усилителе класса А, 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 точных 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 работают в течение половины циклов индивидуально, но каждое устройство смещено по-разному, поэтому они не отключаются полностью в момент непригодности (момент перехода). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидальной формы волны, вместо этого они проводят небольшой ввод в течение другого полупериода. Используя этот метод смещения, рассогласование кроссовера во время мертвой зоны значительно уменьшается.

CLASS AB Amplifier

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 точно таким же 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

CLASS C Amplifier

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, в котором используется широтно-импульсная модуляция 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.

CLASS D Amplifier

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, например, полевых МОП-транзисторов с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но мы должны помнить, что это не цифровой преобразователь. Хотя для более высоких частот усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения полосы 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 переключающую топологию и работающий в радиочастотах. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основными компонентами, используемыми с усилителем класса E.

Класс 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 фирменного дизайна. Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является товарным знаком особого типа переключающего усилителя класса D, используемого в технологиях усилителей Tripath, который представляет собой запатентованную конструкцию.

,

A, B, AB, C, D и т. Д. »Электроника

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. Различные 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 приведено ниже.


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

Усилители класса А

Усилитель класса A смещен так, что он проводит в течение всего цикла формы волны.Он проводит все время, даже для очень слабых сигналов или когда сигнал отсутствует.

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 пройдет через конденсатор связи или трансформатор, будет составлять половину напряжения шины, что обеспечивает 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, максимальный теоретический КПД, которого может достичь усилитель класса A, составляет 50% с индуктивной выходной связью или всего 25% с емкостной связью.На практике полученные фактические цифры намного меньше, чем это, 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 таким образом, 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 не так 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 выключается, 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, чтобы они работали чуть больше половины цикла, и два устройства перекрывали друг друга на некоторое время. небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая кроссоверные искажения.

Этот подход означает, что усилитель жертвует некоторой потенциальной эффективностью 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 - намного лучший вариант, когда требуется компромисс между эффективностью и линейностью.

Классы AB1 и AB2
Термоэмиссионные клапаны или вакуумные лампы широко использовались для мощных звуковых и радиочастотных линейных 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, поэтому ток в сети не течет. Этот класс усилителей также дает более низкие искажения, чем усилитель класса AB2.
  • Класс AB2: Класс AB2 - это 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 входа. Это нормальная практика, когда точка смещения сети класса AB2 находится ближе к отсечке, чем 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 высоких уровней 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.

В усилителях

класса C обычно используется одно активное устройство, которое сильно смещено в свою выключенную область.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 резонансный контур с высокой добротностью L-C. 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 эффективности могут достигать 80%, но значения 66% более нормальны, если учитывать 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 достигнутые уровни ниже, 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 имел тенденцию вызывать большие количества помех местному радио и телевидению, поскольку меры предосторожности по ЭМС 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 КПД. 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 микросхем класса 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

- Лаборатория электроники

Введение

Усилители

обычно классифицируются в зависимости от структуры выходного каскада. Действительно, усиление мощности действительно происходит на этом этапе, и поэтому качество и эффективность выходного сигнала диктуется архитектурой выхода усилителя. Классификация состоит из алфавитного расположения A, B, AB и C, которое относится к историческому возникновению усилителей. В этой статье мы кратко расскажем о каждом классе усилителей.Каждый класс обозначает качество усиления в основном по двум критериям: КПД и угол проводимости.

Угол проводимости классов усилителя

КПД η усилителя определяется по следующей формуле:

уравнение 1: Определение эффективности

P out - мощность на выходе, подаваемая на нагрузку, тогда как P abs - мощность, потребляемая усилителем.

Угол проводимости - это мера того, какая часть входного сигнала используется для реализации усиления.Это значение находится в диапазоне от 360 ° или 2π рад до 0 ° или 0 рад . Верхний предел 360 ° означает, что 100% входного сигнала используется для процесса усиления, а нижний предел 0 ° означает, что сигнал не принимается. Мы уточним это далее.

Примечание о смещении

Есть причина, по которой, прежде чем рассматривать различные классы усилителей, мы кратко поговорим о смещении. В самом деле, если действительно есть что вспомнить об этом руководстве, так это то, что класс усилителя полностью определяется смещением, приложенным к транзистору .

Диаграмма, представленная на Рис. 1 , должна быть вам знакома:

рис 1: Схема делителя напряжения

В , рис. 1 , BJT-транзистор с коэффициентом усиления по току β смещен цепью делителя напряжения, которая состоит из двух параллельных сопротивлений R 1 и R 2 , подключенных к базовой ветви. Как мы объясняем в учебном пособии Смещение BJT, ток коллектора и напряжения при отсутствии сигнала переменного тока (I C0 , V C0 ) задают рабочую точку или точку покоя усилителя.Точка покоя очень важна, потому что ее положение в выходной характеристике определяет значение угла проводимости и, следовательно, класс усилителя.

Набор значений (I C0 , V C0 ) можно отрегулировать с помощью значений сопротивлений смещения и сопротивления эмиттера. Действительно, ток коллектора I C0 определяется выражением:

экв 2: ток коллектора смещения

Мы можем уточнить два параметра в Уравнении 2 : 0,7 В соответствует напряжению V BE , которое является пороговым напряжением кремниевых транзисторов.Сопротивление R 1 // R 2 является параллельным эквивалентным сопротивлением цепи смещения и определяется соотношением (R 1 × R 2 ) / (R 1 + R 2 ) ,

А напряжение коллектора В C0 удовлетворяет:

экв 3: напряжение смещения коллектора

Обратите внимание, что в дальнейшем в этом руководстве мы всегда будем рассматривать биполярные транзисторы, но все, что мы говорим, применимо также к другим типам транзисторов, таким как MOSFET.Более того, для упрощения мы используем усилитель с общим эмиттером в качестве исследуемой конфигурации, поэтому выходные сигналы, показанные на рисунках, будут инвертированы.

Усилитель класса A

Усилитель класса A характеризуется углом проводимости 360 ° . Для достижения этой функции точка покоя усилителя класса A выбирается так, чтобы она находилась в середине линии нагрузки, как показано на , рис. 2 :

. рис. 2: Условия смещения класса A

Точка покоя удовлетворяет требованиям I C0 = V питания / 2R C и V C0 = V питания /2 .Эти формулы вместе с Equation 2 и Equation 3 позволяют выбрать правильные значения для сопротивлений смещения, чтобы получить усилитель класса A.

Потребляемая мощность усилителя класса А постоянна и равна P абс = V питание × I C0 . Выходная мощность является произведением среднеквадратичного выходного тока и напряжения: P out = V out, среднеквадратичное значение × I out, действующее значение . Максимальное значение P out дается, когда выходной ток достигает верхнего предела I C 0 и выходное напряжение достигает источника питания V supply : P out, max = (V supply × I C0 ) / 2 .Таким образом, максимальная эффективность составляет:

. eq 4: Максимальная эффективность усилителя класса A

В действительности КПД составляет от 20 до 30%, а 50% может быть достигнуто с помощью конфигурации с двумя транзисторами. Такой низкий КПД подчеркивает тот факт, что усилители класса A потребляют мощность даже при отсутствии входных сигналов переменного тока.

Усилитель класса B

Усилители

класса B были разработаны как ответ на низкий КПД усилителей класса A. Этот класс усилителей характеризуется углом проводимости 180 ° , то есть они используют только половину входного сигнала для реализации процесса усиления.Чтобы получить усиление класса B, необходимо смещать схему в соответствии с Рисунок 3 :

рис. 3: Условия смещения класса B

Здесь рабочая точка находится в точке отсечки и удовлетворяет требованиям I C0 = 0 и В C0 = V питания .

Совершенно очевидно, что точное усиление не может быть достигнуто с усилителем класса B. Для решения этой проблемы одним из наиболее распространенных решений является использование двух транзисторов (один NPN и один PNP) в так называемой «двухтактной» конфигурации:

рис. 4: Двухтактная конфигурация класса B

Транзистор NPN усиливает положительный сигнал на входе, а PNP усиливает отрицательный сигнал.Комбинация приводит к добавлению двух независимых усилителей, воспроизводящих форму входного сигнала.

Однако существует явление, называемое перекрестным искажением , которое препятствует использованию усилителей класса B даже в двухтактной конфигурации, чтобы обеспечить 100% достоверное усиление. Причина связана с пороговым напряжением транзисторов (+0,7 В для NPN и -0,7 В для PNP), которое создает интервал 1,4 В, когда никакое усиление не выполняется ни на NPN, ни на PNP-транзисторе.Следствием этого является искажение сигнала около точки 0 В выходного сигнала, что хорошо известно аудиофилам.

Тем не менее, усилитель класса B имеет преимущество перед усилителем класса A, поскольку он более эффективен с теоретической максимальной эффективностью η max = 78,5% . Однако эффективность, наблюдаемая в реальных конфигурациях, не превышает 70%.

Усилитель класса AB

Как видно из названия, усилитель класса AB ведет себя как комбинация усилителей класса A и класса B.Он был разработан для преодоления низкого КПД класса A и искажения класса B. Усилители класса AB характеризуются углом проводимости в интервале] 180 °; 360 ° [. Рабочая точка, заданная схемой смещения, расположена между точкой покоя класса A и точкой отсечки:

рис.5: Условия смещения класса AB

Рабочая точка усилителя класса AB удовлетворяет следующим условиям: 0 C0 питание / 2R C и В питание /2 C0 питание .

Когда рабочая точка ближе к точке отсечки, усилитель «становится» больше как класс B, чем как класс A: сигнал становится более искаженным, но эффективность увеличивается. Напротив, когда рабочая точка приближается к точке покоя в середине линии нагрузки, усилитель ведет себя больше как класс A, чем как класс B: выходной сигнал воспроизводится более точно, но эффективность снижается.

Поскольку усилители класса AB предлагают хороший компромисс между преимуществами линейности класса A и хорошей эффективностью класса B, они сегодня широко используются во многих приложениях.Они обычно находятся в двухтактной конфигурации, такой как представлена ​​на рис. 4 , и они даже устраняют перекрестные искажения во время добавления двух усиленных выходов от транзисторов NPN и PNP.

Усилитель класса C

Последним наиболее распространенным классом усилителей является класс C. Он характеризуется небольшим углом проводимости, который находится в интервале ] 0 °; 90 ° [. Рабочая точка класса C находится за точкой отсечки, совмещена с линией нагрузки, но в области отрицательных токов смещения:

рис.6: Условия смещения класса C

Фактически, рабочая точка класса C удовлетворяет: I C0 <0 и V C0 > V питание (что имеет смысл из Уравнение 3 , если I C0 <0).

Высокие искажения, создаваемые усилителями класса C, могут быть обработаны параллельным резонансным контуром L // C, который состоит из индуктивности (L) и емкости (C). Эта схема действительно может преобразовывать выходные импульсы в полные синусоидальные волны. По этой причине усилители класса C используются в высокочастотных приложениях .

Самым большим преимуществом усилителя класса C является его КПД, который превышает 78,5% и может приближаться к 100% в зависимости от того, насколько далеко рабочая точка находится от точки отсечки.

Заключение

Во время этого введения в классы усилителей мы видели, что для данной конфигурации (MOSFET, Common Emitter…) схема смещения сильно влияет на поведение усилителя. По способу смещения усилителей можно выделить четыре основных класса:

  • Класс A: Рабочая точка находится в середине линии нагрузки. У него самая высокая линейность, но самый низкий КПД около 20-30%. Этот класс очень ценят аудиофилы, считающие, что он воспроизводит чистейший звук.
  • Класс B: Рабочая точка соответствует точке отсечки линии нагрузки. Он имеет хорошую эффективность около 70%, но создает кроссоверные искажения при использовании в двухтактной конфигурации.
  • Класс AB: Рабочая точка находится между серединой и точкой отсечки линии нагрузки. Он сочетает в себе преимущества классов A и B за счет разумного КПД выше 50% и хорошей линейности при использовании в двухтактной конфигурации. Таким образом, класс AB обычно используется в выходных каскадах многих приложений: усилители звука, функциональный генератор…
  • Класс C: Рабочая точка выше точки отсечки.Он имеет самый высокий КПД выше 80%, но самую низкую линейность. Усилители класса C могут использоваться только в высокочастотных приложениях.

Позже, после развития этих технологий, были разработаны другие классы усилителей для решения конкретных задач, в основном для высокочастотных приложений. Мы можем упомянуть, например:

  • Класс D: Это нелинейные усилители и их эффективность очень высока (близка к 100%). Они широко известны как усилители PWM (широтно-импульсная модуляция).Усилители класса D используются в двухтактной конфигурации и выдают импульс выходного сигнала, который можно легко фильтровать с помощью индуктивности и конденсатора для воспроизведения исходной желаемой формы.
  • Класс E: Они используются для усиления радиочастот от 3 МГц до 10 ГГц. Усилители класса E предлагают для верхнего предела частоты хороший КПД выше 70%.

В следующих уроках мы подробно расскажем о каждом из наиболее распространенных классов: A, B и AB.

,

Простой усилитель класса A

Простой усилитель класса А
ESP Logo Аудио страницы
Продукты Elliott Sound Простой усилитель класса A

На основе оригинальной статьи Джона Линсли-Гуда


ESP Home Основной индекс
Articles Указатель статей
TCAAS 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 оригинального 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 проектов были довольно сложными.

В сложившихся обстоятельствах казалось целесообразным подумать о том, насколько простой может быть конструкция, которая дала 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 при разработке 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

Первая схема усилителя, известная автору, в которой использовалась конструкция бестрансформаторного транзистора для обеспечения стандарта характеристик, приближающегося к таковому у 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 значительной степени соответствовали принципам проектирования, изложенным в этой статье.

Основным преимуществом усилителей этого типа является то, что нормальное статическое рассеивание мощности очень низкое, а общая эффективность преобразования мощности высокая. К сожалению, есть также некоторые неотъемлемые 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 минимизировать 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 правильно. 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 и недорогой конструкцией.

* Термический пробой, о котором идет речь, теперь известен как вторичный пробой, когда транзистор страдает от локального нагрева на кремниевый кристалл. Этот эффект очень быстр и может привести к почти мгновенному разрушению транзистора. Это одна из причин того, что полевые МОП-транзисторы предпочитаются многими разработчиками 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, кроссоверных 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.

Figure 1

Базовая конструкция класса A состоит из одного транзистора с подходящей коллекторной нагрузкой. использование резистора, как на рис. 1 (a), 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.

Figure 2

Этот метод подключения также отвечает одному из самых 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 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 низкому гармоническому искажению: - низкое выходное сопротивление нагрузки, высокое входное сопротивление.

* Потенциально стоящим усовершенствованием этой схемы является добавление резистора 0,1 Ом в цепь эмиттера Tr1.это 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.

Figure 3

* Верхний транзистор (Tr2) работает как источник тока, выходной ток которого модулируется. Это позволяет схеме работают примерно на половину тока покоя, который потребовался бы, если бы не применялась модуляция. 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 состоит 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. HOT). В схеме нет механизма для предотвращения теплового разгона, кроме 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 работать при температуре выше 50 ° C, что в нормальных условиях должно быть вполне достижимым. Поскольку каждый транзистор работает на (или около) 25 Вт, теплоотвод каждого транзистора должен иметь теплоемкость около 1 ° C / Вт. Радиатор лучше (то есть большего размера) не годится вреда и обеспечит защиту от теплового разгона.

Есть и более новая версия этого усилителя, но у меня нет планов переиздавать ее.Больше можно найти на Сайт усилителя класса A (TCAAS).

Коэффициент усиления разомкнутого контура 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 управляет током 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 лишь незначительно отличаться от 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 значительно 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.

Аналогичным образом, реактивное сопротивление C1 должно быть низким по сравнению с импедансом 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 1 мкФ может использоваться параллельно с каждым электро. 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 самую 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 линейно уменьшается 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, является преимущественно второй гармоникой.


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

имеют в целом отличные высокочастотные характеристики, которые способствуют 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 сопротивлением нагрузки в диапазоне 3-15 Ом. Однако выбранная выходная мощность в каждом случае представлена ​​различным соотношением ток / напряжение, 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 они должны быть умножены на 1,41 для получения пиковых значений, и что измеренный размах напряжения представляет собой размах напряжения от пика до пика, который вдвое больше пикового значения.)

Когда эти вычисления были сделаны, 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 В каждый, источник питания должен обеспечивать минимум 36 вольт, чтобы обеспечить этот выход. Для нагрузок 8 и 3 Ом минимальное значение h.t. линейное напряжение 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.

Figure 4

Figure 5

Figure 6

Figure 7

Поскольку соответствующие напряжения питания и выходные токи приводят к рассеянию порядка 17 Вт в 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.

Figure 8

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, следовательно, (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.Точно так же 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 производительности были обнаружены в характеристиках коэффициента 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, можно удобно собрать на стандартном «Lektrokit» 4 "X 4,75" s.r.b.p. штырьковая плата 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 самые низкие уровни шума будут достигнуты 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 типы с углеродной пленкой 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.

Figure 9

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 с умножителем 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.

Figure 10

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 напоминают о законах об авторских правах, 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 ознакомления с ее интересами и для использования в качестве отправной точки для других проектировщиков.

Первоначальному изделию уже много лет, и некоторые из упомянутых типов транзисторов заменены значительно лучшими конструкциями.Я оставляю 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 твитеров.

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 конструкции 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. Это не значит, что я согласен со всеми его идеями или теориями или поддерживаю их, но, по крайней мере, у него хватило смелости сказать то, что он думает, и у журнала хватило смелости напечатать это тоже.См. Статью в Википедии, чтобы узнать немного об этом.



ESP Home Основной индекс
Articles Указатель статей
TCAAS Указатель сайта усилителя класса A

,

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о