Что такое классы усилителей мощности низкой частоты

Класс усилителя мощности - это режим, в котором работает его оконечная ступень.

По большому счёту, основных режимов УНЧ (УМЗЧ, усилителя звука) - всего два: линейный и импульсный. Но они имеют достаточно много разных вариаций, от которых сильно зависят КПД, характер и величина искажений на выходе усилителя.

Каскады усилителя, предшествующие оконечному, формально тоже можно отнести к какому-либо классу; но на самом деле в большинстве случаев это не имеет значения (имеет значение качество их исполнения, а не режим; который чаще всего оказывается классом A или же классом AB, максимально приближенным к классу A).

Классы усилителей имеют устоявшуюся систему обозначений, состоящую из одной-двух латинских букв, иногда дополняемых цифрами.

Первая буква - это основной класс, вторая буква - подкласс, цифры могут означать варианты реализации. Буквы классам присваивались просто по порядку и никакой расшифровки не имеют (например, в классе D не следует расшифровывать букву D как Digital).

Кратко пробежимся по основным классам и попутно рассмотрим их достоинства и недостатки.
 

Класс A

Класс A - самый шикарный по качеству, но одновременно и самый невыгодный энергетически.

Усилители класса A работают постоянно в линейном режиме во всём динамическом диапазоне сигнала.

Упрощенно выходной каскад усилителя класса A на транзисторе выглядит так:

Чтобы усилитель всегда находился в линейном режиме, через транзистор должен протекать ток, равный половине от максимального даже при отсутствии сигнала.

В результате транзистор сильно греется, а КПД на максимальной мощности синусоидального сигнала составляет не более 25% процентов.

В прошлом, во времена ламповой техники, этот класс был сильно распространённым, так как в выходном каскаде требовалась всего одна лампа, что удешевляло конструкцию.

Сейчас тоже выпускаются усилители этого класса, но, в основном, очень малой мощности (для наушников).
 

Класс B

Класс B является полной противоположностью класса A с энергетической точки зрения. Здесь при отсутствии сигнала ток не протекает (совсем).

И, хотя такие усилители сейчас не выпускаются, в них важна идея: при положительной полуволне сигнала работает "верхний" транзистор, при отрицательной - "нижний", а при отсутствии сигнала оба плеча (верхнее и нижнее) находятся в закрытом состоянии, тока нет.

Иными словами, ток потребляется не всегда, а только тогда, когда он нужен.

Схематично выходной каскад усилителя класса B выглядит так:

При поступлении сигнала положительной полярности работает только верхнее плечо усилителя; а при отрицательном сигнале - соответственно, только нижнее.

Максимальный КПД такого усилителя на синусе может достигать 78% - очень неплохо! Причём, чем выше уровень сигнала, тем выше и КПД.

Но один маленький недостаток полностью перечёркивает все его достоинства: плохая работа вблизи нуля (при слабом сигнале).

Из-за того, что транзистор открывается не при любом напряжении выше нуля, а при достаточно заметном (например, для кремниевых биполярных транзисторов - около 0.6 В), слабые сигналы открыть транзистор не в силах, и такие сигналы не воспроизводятся.

Возникают искажения типа "ступенька"; выглядят они так:

Теоретически, за счёт повышения глубины отрицательной обратной связи можно сделать величину "ступеньки" сколь угодно малой, но практически она всегда остаётся заметной и "режет слух".

По этой причине усилители этого класса не выпускаются, и лишь иногда появляются из-за ошибок разработчиков. :)
 

Класс AB

Наконец-то мы дошли до первого класса усилителей, выпускаемого в наше время в массовом количестве - класса AB.

Класс AB - удачная попытка совместить достоинства усилителей классов A и B.

Идея этих усилителей состоит в том, что в усилителе класса B в транзисторах выходного каскада задаётся небольшое смещение, слегка приоткрывающее транзисторы в состоянии покоя; и, тем самым, переводящее их в класс A для малых сигналов.

В упрощенном виде схема оконечного каскада выглядит так:

В современных усилителях именно такая схема не используется. Вместо резисторов используются небольшие схемы на транзисторах со стабилизацией токов и термокомпенсацией напряжения смещения.

Казалось бы, задача доведения качества звука до класса A с сохранением относительно высокого КПД решена окончательно и бесповоротно.

Но это - не совсем так.

Транзисторы выходного каскада всё равно имеют точки включения и выключения (просто они удалены от нуля); и истинные меломаны клянутся, что замечают создающиеся при этом искажения.

Для обычных людей заметить такие искажения не представляется возможным.

С помощью осциллографа их можно увидеть только на очень высоких частотах, выходящих за пределы слышимости; либо на сигналах с очень крутыми фронтами.

Для примера - осциллограмма однокристалльного УНЧ TDA2050 (обзор) на частоте 200 кГц:

На такой частоте этот усилитель, естественно, никогда не используется и приведённая картинка - просто иллюстрация существования искажений.

Ещё один пример - "зазубрина" на фронте прямоугольного сигнала на выходе TDA7297 (обзор):

В классе AB работают не только транзисторные, но и большинство современных ламповых усилителей; и они при этом высоко ценятся меломанами.

Объясняется это тем, что характеристики ламп обеспечивают значительно более плавные процессы их включения и выключения, чем у транзисторов.

Но это - проблемы меломанов. Обычный человек вряд ли ощутит разницу.

Далее по списку должен идти класс C, но мы его пропустим, потому что он относится не к УНЧ, а к усилителям радиочастотного диапазона.
 

Класс D

Класс D - один из самых распространённых на сегодня.

Усилители этого класса имеют максимальный КПД, достигающий 90% и выше. Осуществляется это за счёт работы выходных транзисторов в импульсном режиме - энергетически самом выгодном.

Полезная (звуковая) составляющая сигнала при этом формируется за счёт широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Сигнал ШИМ и выходной сигнал после фильтра выглядят для усилителя с одиночным выходом примерно таким образом (из обзора TDA8954, 2 * 210 Вт):

В состоянии покоя (при отсутствии сигнала) длительность отрицательного импульса равна длительности положительного, и постоянная составляющая равна нулю.

При наличии сигнала баланс положительных и отрицательных импульсов смещается в ту или иную сторону синхронно с сигналом, и на выходе формируется полезная составляющая сигнала.

Чтобы высокочастотная импульсная составляющая не попадала в динамики, обычно на выходе устанавливают LC-фильтры.

Но усилители класса D тоже отличаются разнообразием схемных реализаций. Часто они производятся с мостовым выходом и без фильтров (фильтром служит звуковая катушка динамика (-ов). В этом случае сигнал на выходе получается другим, не сглаженным (картинка из обзора PAM8610, 2 * 10 Вт):

К недостаткам усилителей класса D следует отнести менее точное повторение формы входного сигнала, чем в усилителях класса A, а также зависимость АЧХ от сопротивления нагрузки (для усилителей с фильтрами на выходе); подробнее - в статье "Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB".

Идея усилителей класса D была высказана в СССР ещё в 50-е годы XX века, но элементная база "дозрела" до серийного выпуска только к концу XX века.
 

Другие классы усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ)

Существуют и другие классы УМЗЧ, но они, по-существу, являются только теми или иными вариациями классов AB и D.

В частности, можно упомянуть классы G и H. Они основаны на усилителях класса AB, но для повышения КПД в них имеется возможность автоподстройки напряжения питания под текущую величину сигнала. Никаких других полезных свойств, кроме повышения КПД, такие схемы не дают; но при этом увеличивают число компонентов (снижение надёжности) и повышают стоимость.

Класс D нашел дальнейшее развитие в классе T, отличающемся улучшением системы модуляции. Усилители класса T и его последователи (классы J, TD, Z)сейчас выпускаются малыми сериями и имеют небольшую базу потребителей.

Вот таков в общих чертах ответ на вопрос: "Что такое классы усилителей".
 

Дополнительные материалы:

- Обзоры одноплатных усилителей класса D

- Обзоры одноплатных усилителей класса AB

  Ваш Доктор.
 14 августа 2021 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте: