Wzmacniacz audio to ogólny termin używany do opisania obwodu, który wytwarza i wzmacnia wersję swojego sygnału wejściowego. Jednak nie wszystkie technologie konwerterów są takie same, ponieważ są klasyfikowane według ich konfiguracji i trybów działania.
W elektronice często stosuje się małe wzmacniacze, ponieważ są one w stanie wzmocnić stosunkowo mały sygnał wejściowy, na przykład z czujnika, takiego jak odtwarzacz muzyczny, na znacznie większy sygnał wyjściowy, aby sterować przekaźnikiem, lampą lub głośnikiem itd.
Istnieje wiele form obwodów elektronicznych klasyfikowanych jako wzmacniacze, od operacyjnych i małych przetworników sygnałowych po duże przetworniki impulsowe i mocy. Klasyfikacja urządzenia zależy od wielkości sygnału, dużego lub małego, jego fizycznej konfiguracji oraz sposobu przetwarzania strumienia wejściowego, czyli relacji między poziomem wejściowym a prądem płynącym w obciążeniu.
Anatomia urządzenia
Wzmacniacze częstotliwości audio mogą być postrzegane jako proste pudełkolub blok zawierający urządzenie, takie jak bipolarny, FET lub czujnik operacyjny, który ma dwa zaciski wejściowe i dwa wyjściowe (masa jest wspólna). Co więcej, sygnał wyjściowy jest znacznie większy ze względu na jego konwersję na urządzeniu.
Idealny wzmacniacz sygnału będzie miał trzy główne właściwości:
- Impedancja wejściowa lub (R IN).
- Rezystancja wyjściowa lub (R OUT).
- Wzmocnienie, lub (A).
Bez względu na to, jak złożony jest obwód wzmacniacza, ogólny model blokowy może być użyty do zademonstrowania związku tych trzech właściwości.
Pojęcia ogólne
Wysokiej jakości wzmacniacze audio mogą mieć różną wydajność. Każdy typ ma konwersję cyfrową lub analogową. Kody są ustawione, aby je oddzielić.
Większa różnica między sygnałami wejściowymi i wyjściowymi nazywana jest konwersją. Wzmocnienie jest miarą tego, jak bardzo wzmacniacz „przekształca” sygnał wejściowy. Na przykład, jeśli poziom wejściowy wynosi 1 wolt, a poziom wyjściowy 50 woltów, to konwersja wyniesie 50. Innymi słowy, sygnał wejściowy został opracowany 50 razy. Wzmacniacz częstotliwości audio właśnie to robi.
Obliczanie konwersji to po prostu stosunek wyniku podzielonego przez dane wejściowe. Ten system nie ma jednostek jako swojego współczynnika, ale w elektronice powszechnie używany jest symbol A. Konwersja jest wtedy po prostu obliczana jako „wyjście podzielone przez wejście”.
Przetwornice energii
Lupa małaWzmacniacz sygnału jest powszechnie określany jako wzmacniacz „napięciowy”, ponieważ ma tendencję do przekształcania małego sygnału wejściowego w znacznie większe napięcie wyjściowe. Czasami do zasilania silnika lub głośnika wymagany jest obwód urządzenia, a do tego typu zastosowań, w których występują wysokie prądy przełączania, potrzebne są konwertery mocy.
Jak sama nazwa wskazuje, głównym zadaniem wzmacniacza mocy (zwanego również dużym wzmacniaczem sygnału) jest doprowadzenie zasilania do obciążenia. Jest to iloczyn napięcia i prądu przyłożonego do obciążenia o mocy wyjściowej większej niż poziom sygnału wejściowego. Innymi słowy, konwerter zwiększa moc głośnika, więc ten typ obwodu blokowego jest używany w zewnętrznych stopniach konwerterów audio do napędzania głośników.
Zasada działania
Wzmacniacz audio działa na zasadzie przetwarzania prądu stałego pobieranego z zasilacza na sygnał napięcia zmiennego dostarczany do obciążenia. Chociaż konwersja jest wysoka, sprawność z zasilania prądem stałym na sygnał wyjściowy napięcia przemiennego jest ogólnie niska.
Idealny blok daje urządzeniu sprawność 100% lub przynajmniej moc WEJŚCIA będzie równa mocy WYJŚCIA.
Podział klas
Jeżeli użytkownicy kiedykolwiek przyjrzeli się specyfikacji wzmacniaczy mocy audio, mogli zauważyć klasy sprzętu, zwykle oznaczane literą lubdwa. Najpopularniejszymi typami bloków używanymi obecnie w domowych urządzeniach konsumenckich są wartości A, A/B, D, G i H.
Te klasy nie są prostymi systemami klasyfikacji, ale opisami topologii wzmacniaczy, czyli sposobu ich funkcjonowania na poziomie rdzenia. Chociaż każdy typ wzmacniacza ma swój własny zestaw mocnych i słabych stron, ich wydajność (i sposób pomiaru końcowej charakterystyki) pozostaje taka sama.
Ma to na celu konwersję przebiegu wysyłanego przez urządzenie wstępne bez wprowadzania zakłóceń lub co najmniej jak najmniejszych zniekształceń.
Klasa A
W porównaniu z innymi klasami wzmacniaczy mocy audio, które zostaną opisane poniżej, modele klasy A są stosunkowo prostymi urządzeniami. Podstawową zasadą działania jest to, że wszystkie bloki wyjściowe przetwornika muszą przejść przez pełny cykl sygnału 360 stopni.
Klasę A można również podzielić na wzmacniacze single-ended i push-pull. Push/Pull różni się od głównego wyjaśnienia powyżej tym, że używa się urządzeń wyjściowych w parach. Podczas gdy oba urządzenia wykonują pełny cykl 360 stopni, jedno urządzenie przeniesie większość obciążenia podczas dodatniej części cyklu, podczas gdy drugie przeniesie większą część ujemnego cyklu.
Główną zaletą tego obwodu jest zmniejszenie zniekształceń w porównaniu z konstrukcjami z pojedynczą końcówką, ponieważ wyeliminowane są nawet fluktuacje kolejności. Ponadto konstrukcje push-pull klasy A są mniej wrażliwe na hałas.
Ze względu na pozytywne cechy związane z wydajnością klasy A, jest uważany za złoty standard jakości dźwięku w wielu zastosowaniach akustycznych. Jednak te projekty mają jedną istotną wadę - wydajność.
Wymaganie dla tranzystorowych wzmacniaczy audio klasy A, aby wszystkie urządzenia wyjściowe były włączone przez cały czas. To działanie prowadzi do znacznej utraty energii, która ostatecznie zamieniana jest w ciepło. Sytuację pogarsza jeszcze fakt, że konstrukcje klasy A wymagają stosunkowo wysokich poziomów prądu spoczynkowego, który jest wielkością prądu przepływającego przez urządzenia wyjściowe, gdy wzmacniacz wytwarza zerową moc wyjściową. Wskaźniki wydajności w świecie rzeczywistym mogą być rzędu 15-35%, przy czym możliwe są pojedyncze cyfry przy użyciu bardzo dynamicznego materiału źródłowego.
Klasa B
Podczas gdy wszystkie mechanizmy wyjściowe we wzmacniaczu audio klasy A działają przez 100% czasu, jednostki klasy B wykorzystują obwody push-pull, dzięki czemu tylko połowa urządzeń wyjściowych przewodzi w dowolnym momencie.
Jedna połowa obejmuje część przebiegu o wartości +180 stopni, podczas gdy druga połowa obejmuje sekcję -180 stopni. W rezultacie wzmacniacze klasy B są znacznie bardziej wydajne niż ich odpowiedniki w klasie A, z teoretyczną wartością maksymalną 78,5%. Biorąc pod uwagę stosunkowo wysoką wydajność, klasa B była stosowana w niektórych profesjonalnych przetwornikach PA, a także w niektórych domowych wzmacniaczach lampowych. Pomimo nichoczywista siła, szanse na zdobycie bloku klasy B dla domu są praktycznie zerowe. Badanie wzmacniacza audio wykazało przyczynę tego zjawiska, zwaną zniekształceniem zwrotnicy.
Problem z latencją w przełączaniu między urządzeniami przetwarzającymi dodatnią i ujemną część przebiegu jest uważany za istotny. Nie trzeba dodawać, że zniekształcenia te są słyszalne w wystarczających ilościach i chociaż niektóre konstrukcje klasy B były pod tym względem lepsze od innych, klasa B spotkała się z niewielkim uznaniem entuzjastów czystego brzmienia.
Klasa A/B
Wzmacniacz lampowy można znaleźć w wielu salach koncertowych. Posiada wysoką wydajność i nie przegrzewa się. Ponadto modele są znacznie tańsze niż wiele cyfrowych klocków. Ale są też odchylenia. Taki moduł może nie działać ze wszystkimi formatami audio. Dlatego lepiej jest używać sprzętu jako części ogólnego kompleksu przetwarzania sygnału.
Klasa A/B łączy w sobie najlepsze cechy każdego typu urządzenia, tworząc jednostkę bez wad żadnego z nich. Dzięki temu połączeniu zalet wzmacniacze klasy A/B w dużej mierze dominują na rynku konsumenckim.
Rozwiązanie jest w rzeczywistości dość proste w koncepcji. Tam, gdzie klasa B wykorzystuje urządzenie push-pull, w którym każda połowa stopnia wyjściowego przewodzi 180 stopni, mechanizmy klasy A/B zwiększają ją do ~181-200 stopni. Tak więc istniejeznacznie mniej prawdopodobne jest, że w pętli pojawi się „rozdarcie”, dlatego zniekształcenie zwrotnicy spada do punktu, w którym nie ma to znaczenia.
Zaworowe wzmacniacze mocy audio mogą znacznie szybciej pochłaniać te zakłócenia. Dzięki tej właściwości dźwięk wydobywa się z urządzenia znacznie czyściej. Modele o tych cechach są często używane do przekształcania brzmienia gitar akustycznych i elektrycznych.
Dość powiedzieć, że klasa A/B spełnia swoje obietnice, z łatwością przewyższając czystą konstrukcję klasy A przy ~50-70% rzeczywistej wydajności. Rzeczywiste poziomy zależą oczywiście od tego, jak bardzo wzmacniacz jest przesunięty, a także od materiału programowego i innych czynników. Warto również zauważyć, że niektóre konstrukcje klasy A/B idą o krok dalej w dążeniu do wyeliminowania zniekształceń zwrotnicy, pracując w trybie czystej klasy A do kilku watów mocy. Daje to pewną wydajność na niskich poziomach, ale zapewnia, że wzmacniacz nie zamieni się w piec, gdy zostanie dostarczona duża ilość mocy.
Klasy G i H
Kolejna para projektów zaprojektowanych w celu poprawy wydajności. Z technicznego punktu widzenia ani wzmacniacze klasy G, ani klasy H nie są oficjalnie uznawane. Zamiast tego są to wariacje na temat klasy A/B, wykorzystujące odpowiednio przełączanie napięcia szyny i modulację szyny. W każdym razie, w warunkach niskiego zapotrzebowania, system wykorzystuje niższe napięcie szyny niż podobny wzmacniacz klasy A/B, co znaczniezmniejsza zużycie energii. Gdy wystąpią warunki o wysokim poborze mocy, system dynamicznie zwiększa napięcie szyny (tj. przełącza na szynę wysokiego napięcia), aby obsłużyć transjenty o wysokiej amplitudzie.
Są też wady. Najważniejszym z nich jest wysoki koszt. Oryginalne sieciowe obwody przełączające wykorzystywały tranzystory bipolarne do sterowania strumieniami wyjściowymi, zwiększając złożoność i koszt. Wysokiej jakości lampowe wzmacniacze częstotliwości tego typu są powszechne, chociaż cena zaczyna się od 50 tysięcy rubli. Blok uważany jest za profesjonalną technikę pracy na scenie lub nagrania w studiu. Są problemy z tranzystorami. Przy długotrwałym obciążeniu niektóre z nich mogą zawieść.
Dzisiaj cena jest często do pewnego stopnia obniżona poprzez użycie wysokoprądowych tranzystorów MOSFET do wyboru lub zmiany prowadnic. Zastosowanie tranzystorów MOSFET nie tylko poprawia wydajność i zmniejsza ciepło, ale także wymaga mniejszej liczby części (zwykle jedno urządzenie na wątek). Oprócz kosztów przełączania magistrali, samej modulacji, warto również zauważyć, że niektóre wzmacniacze klasy G wykorzystują więcej urządzeń wyjściowych niż typowa konstrukcja klasy A/B.
Jedna para urządzeń będzie działać w typowym trybie A/B, zasilana z szyn zbiorczych niskiego napięcia. Tymczasem drugi jest w stanie gotowości, aby działać jako wzmacniacz napięcia, aktywowany tylko w zależności od sytuacji. Wytrzymują duże obciążenia tylko klasy G i H,kojarzony z potężnymi wzmacniaczami, gdzie zwiększona wydajność się opłaca. Kompaktowe konstrukcje mogą również wykorzystywać topologie klasy G/H w przeciwieństwie do A/B, ponieważ możliwość przełączenia w tryb niskiego poboru mocy oznacza, że mogą uciec z nieco mniejszym radiatorem.
Klasa D
Ten typ urządzenia umożliwia tworzenie własnych systemów modułowych. Za pomocą sprzętu następuje wysokiej jakości przetwarzanie całego strumienia wychodzącego. Projektowanie wzmacniaczy mocy częstotliwości dźwięku pozwala na stworzenie własnego systemu multimedialnego do pracy lub rozrywki. Jest tu jednak kilka niuansów. Przetworniki klasy D, często błędnie określane jako wzmocnienie cyfrowe, są gwarancją wydajności jednostki i osiągają zyski przekraczające 90% w rzeczywistych testach.
Najpierw warto zastanowić się, dlaczego jest to klasa D, jeśli „wzmocnienie cyfrowe” jest nieprawidłowe. To była dopiero kolejna litera alfabetu, z klasą C stosowaną w systemach audio. Co ważniejsze, w jaki sposób można osiągnąć ponad 90% wydajności. Podczas gdy wszystkie wyżej wymienione klasy wzmacniaczy mają jedno lub więcej urządzeń wyjściowych, które są stale aktywne, nawet gdy konwerter jest faktycznie w trybie czuwania, jednostki klasy D szybko je wyłączają i włączają. Jest to dość wygodne i umożliwia korzystanie z modułu tylko w odpowiednich momentach.
Na przykład obliczenia wzmacniaczy audio klasy T, które sąImplementacja Tripath klasy D, w przeciwieństwie do urządzenia podstawowego, wykorzystuje częstotliwości przełączania rzędu 50 MHz. Urządzenia wyjściowe są zwykle sterowane przez modulację szerokości impulsu. Dzieje się tak, gdy fale prostokątne o różnych szerokościach są generowane przez modulator, który przedstawia sygnał analogowy do odtwarzania. Przy ścisłej kontroli urządzeń wyjściowych w ten sposób teoretycznie możliwa jest 100% wydajność (choć oczywiście nie jest to możliwe do osiągnięcia w prawdziwym świecie).
Zagłębiając się w świat wzmacniaczy audio klasy D, można również znaleźć wzmiankę o modułach sterowanych analogowo i cyfrowo. Te bloki sterujące mają analogowy sygnał wejściowy i analogowy system sterowania, zwykle z pewnym stopniem korekcji błędów sprzężenia zwrotnego. Z drugiej strony, cyfrowe wzmacniacze konwersji klasy D wykorzystują cyfrowe sterowanie, które przełącza stopień mocy bez kontroli błędów. Ta decyzja również znajduje aprobatę, zgodnie z opiniami wielu kupujących. Jednak segment cenowy jest tutaj znacznie wyższy.
Badania nad wzmacniaczami audio wykazały, że klasa D sterowana analogowo ma przewagę wydajności nad cyfrowym analogiem, ponieważ zazwyczaj oferuje niższą impedancję wyjściową (rezystancję) i lepszy profil zniekształceń. Podnosi to początkowe wartości systemu przy jego maksymalnym obciążeniu.
Parametry wzmacniaczy częstotliwości audio są znacznie wyższe niż w modelach podstawowych. Należy rozumieć, że takie obliczenia są wymagane tylko do tworzenia muzyki w studiu. Dla zwykłych kupujących tecechy można pominąć.
Zazwyczaj obwód L (cewka indukcyjna i kondensator) umieszczony między wzmacniaczem a głośnikami w celu zmniejszenia hałasu związanego z pracą w klasie D. Filtr ma ogromne znaczenie. Słaba konstrukcja może obniżyć wydajność, niezawodność i jakość dźwięku. Dodatkowo sprzężenie zwrotne po filtrze wyjściowym ma swoje zalety. Chociaż konstrukcje, które na tym etapie nie wykorzystują sprzężenia zwrotnego, mogą dostroić swoją odpowiedź do określonej impedancji, gdy takie wzmacniacze mają złożone obciążenie (tj. Głośnik, a nie rezystor), pasmo przenoszenia może się znacznie różnić w zależności od obciążenia głośnika. Sprzężenie zwrotne stabilizuje ten problem, zapewniając płynną reakcję na złożone obciążenia.
Ostatecznie złożoność wzmacniaczy audio klasy D ma swoje zalety. Wydajność, a co za tym idzie mniejsza waga. Ponieważ na ciepło zużywa się stosunkowo mało energii, potrzeba znacznie mniej energii. W związku z tym wiele wzmacniaczy klasy D jest używanych w połączeniu z zasilaczami impulsowymi (SMPS). Podobnie jak stopień wyjściowy, sam zasilacz można szybko włączać i wyłączać w celu regulacji napięcia, co skutkuje dalszym wzrostem wydajności i możliwością zmniejszenia masy w porównaniu z tradycyjnymi zasilaczami analogowymi/liniowymi.
Łącznie nawet potężne wzmacniacze klasy D mogą ważyć tylko kilka kilogramów. Wadą zasilaczy SMPS w porównaniu z tradycyjnymi zasilaczami liniowymi jest:że ci pierwsi zwykle nie mają dużego zapasu.
Testy i liczne testy wzmacniaczy audio klasy D z liniowymi zasilaczami w porównaniu z modułami SMPS wykazały, że rzeczywiście tak jest. Kiedy dwa wzmacniacze obsługiwały moc znamionową, ale jeden z liniowym zasilaczem mógł wytwarzać wyższe poziomy mocy dynamicznej. Jednak projekty SMPS stają się coraz bardziej powszechne i można spodziewać się lepszych jednostek klasy D nowej generacji o podobnych kształtach w sklepach.
Porównanie efektywności klas AB i D
Chociaż sprawność tranzystorowych wzmacniaczy mocy klasy A/B wzrasta wraz ze zbliżaniem się do maksymalnej mocy wyjściowej, konstrukcje klasy D zachowują wysoką sprawność w większości zakresów roboczych. W rezultacie wydajność i jakość dźwięku coraz bardziej skłaniają się do ostatniego bloku.
Użyj jednego przetwornika
Po prawidłowym zaimplementowaniu każdy z powyższych bloków poza klasą B może stanowić podstawę wzmacniacza o wysokiej wierności. Oprócz potencjalnych pułapek wydajnościowych (które są przede wszystkim decyzją projektową, a nie specyficzną dla klasy), wybór typu bloku jest w dużej mierze kwestią kosztów w porównaniu do wydajności.
Na dzisiejszym rynku dominuje prosty wzmacniacz audio klasy A/B i nie bez powodu. Działa bardzo dobrze, jest stosunkowo tani, a jegowydajność jest całkiem odpowiednia dla zastosowań o niskim poborze mocy (>200W). Oczywiście, ponieważ producenci konwerterów starają się przesuwać granice za pomocą, na przykład, monobloku Emotiva XPR-1 o mocy 1000 W, zwracają się do konstrukcji klasy G/H i D, aby uniknąć powielania swoich wzmacniaczy jako systemów zdolnych do szybkiego nagrzewania się sprzętu. Tymczasem po drugiej stronie rynku są fani klasy A, którzy mogą wybaczyć brak wydajności urządzenia w nadziei na czystszy dźwięk.
Wynik
W końcu klasy konwerterów niekoniecznie są tak ważne. Oczywiście są różnice, zwłaszcza jeśli chodzi o koszt, wydajność wzmacniacza, a co za tym idzie wagę. Oczywiście sprzęty klasy A o mocy 500W to kiepski pomysł, o ile oczywiście użytkownik nie dysponuje wydajnym systemem chłodzenia. Z drugiej strony różnice między klasami nie determinują jakości dźwięku. W końcu sprowadza się do opracowania i realizacji własnych projektów. Ważne jest, aby zrozumieć, że przetworniki to tylko jedno urządzenie, które jest częścią systemu audio.
