В 1919 г. инженер «Bell Labs» Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работе были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1931 г. американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике. В 1950-е гг. классификацию дополнил класс D – режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились. Единого реестра классов усиления на сегодняшний день не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква может обозначать принципиально разные устройства.
При определении класса усилителя конструкторы радиоприёмных устройств оперируют понятием угла проводимости гармонического сигнала (доля периода гармонического сигнала, выраженная в градусах, в течение которой активный усилительный элемент находится в открытом состоянии), а конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока – выбором рабочей точки на выходной характеристике усилителя. Далее подробнее рассмотрим основные режимы работы транзисторных усилителей.
Режим А. Это такой режим работы усилительного элемента, в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку повторяет входной сигнал. В случае усилителя гармонических колебаний режим А – такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, т. е. угол проводимости равен 360°. Чтобы транзистор всегда оставался в открытом состоянии, задаётся соответствующее смещение 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
48
получается практически неискажённым, но потери энергии при использовании такого усилителя самые большие в сравнении с другими классами.
Режим работы транзистора в усилителе обычно задается при помощи специальных цепей смещения. При этом неважно, какая схема включения транзистора использована в каскаде усиления. Отличительной особенностью усилителя класса A является выбор напряжения на коллекторе транзистора (или на стоке полевого транзистора) равным половине напряжения питания транзисторного каскада усилителя. В качестве примера схемы, обеспечивающей работу транзистора в усилителе класса A, на рис. 1.36 приведена схема усилительного каскада с ОЭ и эмиттерной стабилизацией.
Рис. 1.36. Схема усилителя: а) класса А; б) выходной сигнал повторяет по форме входной (за исключением полярности) без искажений
При усилении достаточно мощных сигналов как звукового, так и радиочастотного диапазона очень важен такой параметр, как коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент определяется как отношение полезной мощности сигнала к мощности, потребляемой от источника питания. Определим максимальную мощность, отдаваемую в нагрузку:
P = I U = Ia2 ×U2a = Ia 2Ua .
При этом мощность, потребляемая от источника питания, составляет:
P0 = Iп Uп.
Максимальное значение амплитуды синусоидального тока Iа может быть равно току, потребляемому от источника питания Iп, а максимальное значение амплитуды напряжения – половине напряжения питания. Тогда максимальный КПД для усилителя класса A будет равен:
49
| Ia | 1 | Uп | |||||||||
| P | 2 | 1 . | |||||||||
| η= | = | 2 | = | ||||||||
| I | U | ||||||||||
| P | п | п | 4 | ||||||||
| 0 |
Максимальный КПД составляет 25 %, т. е. на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 3 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные усилители мощности звуковых частот (УМЗЧ) класса А распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения.
Режим B. В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить только половину входного синусоидального сигнала: положительную (лампы, NPN-транзисторы) либо отрицательную (PNP-транзисторы). При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит это значение. При работе усилителя класса B ток через транзистор протекает только половину периода, в результате форма тока на коллекторе транзистора искажается по сравнению с входной, т. е. появляются нелинейные искажения выходного сигнала (рис. 1.37).
Рис. 1.37. Выходной сигнал (верхний график) усилителя класса B. Входной сигнал (нижний график) значительно усиливается, при этом появляются нелинейные искажения
В усилителе класса B невозможно воспользоваться схемами коллекторной или эмиттерной стабилизации, так как коллекторный (или стоковый) ток транзистора мал, а в идеальном случае должен быть равен нулю. Поэтому
50
при проектировании усилительных каскадов класса B в основном используются схемы с фиксированным напряжением на базе. Благодаря малому току покоя транзистора, работающего в режиме B, температурный уход рабочей точки практически не происходит.
Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5 %, реального транзисторного каскада – примерно 72 %. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки. С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают.
Режим AB. Еще одним способом восстановления формы исходного сигнала является применение двухтактного усилителя, где верхняя и нижняя полуволны входного сигнала усиливаются разными плечами усилителя, а затем суммируются в нагрузке. Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в данном режиме существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. В усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом, чтобы угол проводимости транзисторов незначительно превышал 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. Чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов, к базам (затворам) подключаются несколько диодов или резисторов (рис. 1.38). В этой схеме разделение входного сигнала на верхнюю и нижнюю полуволны осуществляется за счет разных проводимостей биполярных транзисторов.
Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В – порядка 50 %, но они значительно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, этот класс линейных усилителей используется наиболее часто.
51
а) б)
Рис. 1.38. Режим АВ: а) схема усилителя класса AB; б) выходной сигнал с усилителя (обратите внимание на отсутствие сдвига по фазе между входным и выходным сигналами)
Режим D. Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:
–ток через транзистор равен нулю при отличном от нуля напряжении;
–напряжение на транзисторе равно нулю при отличном от нуля токе. Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме,
при этом первое условие будет выполнено, если транзистор находится в режиме отсечки (полностью закрыт). Второе условие выполняется, если транзистор находится в режиме насыщения (полностью открыт).
Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзис- торов измеряется десятками и единицами мОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности. Амплитуда сигнала на выходе в таком случае будет иметь только два уровня. Для получения амплитуды сигнала, соответствующей входной, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Этот процесс иллюстрируется рис. 1.39.
52
Как видно из рис. 1.39, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше, тем меньше будет средний уровень сигнала и наоборот. В спектре широтно-импульсной модуляции отмечается исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется при помощи фильтра нижних частот, который также является интегратором.
Несмотря на созвучие с английским словом digital (цифровой), усилители класса D не являются в общем случае цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной ШИМ – это полностью аналоговая схема (рис. 1.40). В её основе – задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет – на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя – усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.
53
Режимы работы усилительных элементов
Описание существующих классов режимов работы каскадов предварительного
усиления, а также выходных каскадов усилителей мощности.
Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать,
что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ).
В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа
ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в
насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения.
В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и
имеющих различные области применения.
В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима
работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С.
Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент
загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется — классом D.
На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью
заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале «EDN Europe»: «Сочинение новых классов усилителей —
не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы…».
Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются — уровень нелинейных искажений и КПД каскада.
Поговорим поподробней о каждом из режимов.
1. Режим класса А.
 Рис.1 |
На рисунке Рис.1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А? Теоретический КПД такого каскада при неискажённом усилении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %. |
На практике — около 40…45% для двухтактных каскадов и около 30% — для однотактных.
Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений,
в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов.
В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре
класса High End.
2. Режим класса В.
  Рис.2 |
Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные Режим B характеризуется гораздо более высоким значением КПД усилителя (по сравнению с режимом А), которое может достигать 80%. |
Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным
при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B как правило устанавливается небольшой, но не нулевой, ток
покоя (10…30мА).
Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный
режим АВ.
3. Режим класса АВ.
 Рис.3 |
Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение Ток покоя каскада в режиме AB на порядок выше (сотни мА), чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя, необходимый для режима А. |
4. Режим класса С.
 Рис.4 |
В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к Из-за высоких уровней нелинейных искажений каскады, работающие, в режиме С, даже в двухтактном исполнении, редко используются для |
А вот в резонансных усилителях радиопередающих устройств они, напротив, нашли широкое применение благодаря их высокому КПД.
4. Режим класса D.
Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью
заперт
(режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%)
значение КПД устройства.
Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко
используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления
энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей.
А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД — 90…95%.
Рис.5
На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Работает это устройство следующим образом.
Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в
прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности).
После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал
первоначальной гармонической формы.
Выглядит это примерно так:
Рис.6
Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной
формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность
импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная — нижним.
Поскольку подробная информация о типах, модификациях и принципах работы ключевых усилителей класса D довольно скудно представлена
на полях сетевых знаний, то этому классу мы посвятим отдельную статью, где и возместим данную несправедливость. И сделаем мы это,
не отходя от кассы, подробно и без матерных излишеств, но на следующей странице.
Макеты страниц
В зависимости от положения рабочей точки А на анодно-сеточной характеристике, а также в зависимости от величины амплитуды переменного входного напряжения (сигнала) относительно напряжения сеточного смещения 
различают три основных режима работы усилителя: А, В и С.
Усилитель в режиме А (рис. 14-36, а). Рабочая точка А усилителя в этом режиме находится на середине прямолинейной части анодно-сеточной характеристики. Амплитуда входного сигнала не выходит за пределы линейной части характеристики и не заходит в область положительного сеточного напряжения. При работе усилителя в режиме А имеет место значительная постоянная составляющая анодного тока 
и непрерывное протекание анодного тока. В этом режиме нелинейные искажения малы, к. п. д. усилителя низкий (до 
).
Усилитель в режиме В (рис. 14-36, б), в этом режиме рабочая точка А находится в начале анодно-сеточной характеристики, анодный ток проходит только в течение одного полупериода, в течение второго полупериода триод заперт. Произведение угловой частоты со и времени V, в течение которого анодный ток изменяется от амплитудного значения до нуля, называется углом, отсечки 0. В этом режиме угол отсечки 
. При работе усилителя в режиме В анодный ток 
при отсутствии внешнего сигнала равен нулю или весьма незначителен.
При работе усилителя в этом режиме получаются большие искажения, а к. п. д. его режим высокий, чем в режиме А, и достигает 60—70%.
Если усилитель работает в режиме В без сеточных токов, то режим называют 
, а при сеточных токах — 
Усилитель в режиме С (рис. 14-36, в). В этом режиме рабочая точка А находится за пределами анодно-сеточной характеристики, т. е. левее ее, следовательно, напряжение смещения превышает напряжение запирания.
Рис. 14-36. Три режима работы усилителя.
Поэтому анодный ток проходит в течение менее полупериода, т. е. угол отсечки 
90°. Режим С вносит очень большие искажения. Коэффициент полезного действия его достигает 80% и выше.
Кроме рассмотренных трех основных режимов, применяются промежуточные режима усиления.
В режиме АВ рабочая точка А расположена правее начала анодно-сеточной характеристики. Аналогично ранее сказанному, если усилитель работает без сеточных токов, то он имеет режим АВЬ а при наличии этих токов 
Коэффициент полезного действия при работе в этом режиме составляет до 50— 60%.
Для того чтобы форма переменной составляющей тока на выходе усилителя совпадала с формой подаваемого на вход сигнала, зависимость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор является нелинейным элементом, возможно искажение сигнала. Наличие или отсутствие искажения зависит как от амплитуды сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки на нагрузочной линии.
Выбор положения начальной рабочей точки влияет также на КПД усилителя. В момент, когда сигнал отсутствует, вся энергия источников питания идет только на нагрев р-n-переходов. Если начальная рабочая точка лежит на середине прямолинейного участка, а амплитуда сигнала такова, что рабочая точка, перемещаясь, не выходит за пределы прямолинейного участка входной характеристики, то искажения сигнала не происходит. КПД в этом случае меньше 50%.
В зависимости от положения начальной рабочей точки на характеристиках активных элементов и амплитуды усиливаемого сигнала различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и С.
Режимы работы активных элементов часто называют классами усиления. Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки 
– половиной той части периода, в течение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.
В режиме А начальная рабочая точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики, а амплитуда сигнала такова, что, как видно из рис. 2.11, ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. Угол отсечки равен 180°. (Отметим, что характеристики даны для усилителя с транзистором типа р-n-р по схеме с ОЭ.)
Рис. 2.11. Режим А работы усилителя
Транзистор работает в активном режиме. Рабочая точка А, перемещаясь по нагрузочной линии, не выходит за пределы точек 1 и 2 на нагрузочной линии (см. рис. 2.10, в, точка А). При работе ниже точки 2 транзистор переходит из активного режима в режим отсечки, а при работе выше точки 1 – в режим насыщения. Из-за большого тока покоя КПД в этом режиме низкий, менее 50%. Это основной недостаток рассматриваемого режима. В режиме А активный элемент работает почти без искажений, а форма выходного сигнала соответствует форме входного. Режим А используют в основном в каскадах предварительного усиления.
В режиме В начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис. 2.12). Ток коллектора проходит через активный элемент лишь в течение отрицательного (для транзистора типа р-n-р) полупериода входного напряжения, во время же другого полупериода тока нет, т.е. активный элемент “заперт”, рабочая точка А находится ниже точки 2 на нагрузочной линии – в области отсечки (см. рис. 2.10, в, точка А). Угол отсечки составляет 90°. КПД каскада, работающего в режиме В, значительно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал.
Рис. 2.12. Режим В работы усилителя
В режиме В усилитель имеет высокий КПД (до 80%), однако усиливается только один полупериод входного сигнала. Кроме того, сигнал сильно искажается.
Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо схемы работает в положительный полупериод, а другое – в отрицательный. В режиме В (так как КПД высок) работают каскады мощного усиления (выходная мощность от 10 Вт и более).
В режиме С начальная рабочая точка А располагается правее начальной точки проходной характеристики (рис. 2.13). Угол менее 90°. В отсутствие сигнала ток через активный элемент не проходит – элемент полностью “заперт”. При подаче сигнала ток коллектора проходит в течение времени, меньшем отрицательного полупериода напряжения входного сигнала, причем искажение сигнала большее, чем в режиме В. КПД каскада, работающего в режиме С, выше, чем в режиме В, так как ток покоя отсутствует. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.
Рис. 2.13. Режим С работы усилителя
Режим D называют ключевым. Активный элемент в этом режиме работы усилителя находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. В первом случае ток через активный элемент равен нулю, во втором – равно нулю падение напряжения между выходными зажимами. КПД в этом режиме выше, чем в режиме С (он близок к единице), потери энергии малы. Этот режим используют только для усиления прямоугольных сигналов.
- Главная страница
- Усилители
- Усилители. Классификация усилителей
Усилители в каталоге
 Интегральные усилители |  Усилители мощности |  Предварительные усилители |
Классификация усилителей
По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:
- Аналоговые, класс А
- Аналоговые, класс В
- Аналоговые, класс АВ
- Аналоговые, класс H
- Импульсные и цифровые, класс D
- Аналоговые, класс G
Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.
Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».
Класс А
Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.
Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.
За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.
Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:
| Характеристики | Pass Labs XA 200.5 | Unison Research Sinfonia |
| Номинальная мощность | 200 Вт | 25Вт |
| Коэффициент гармонических искажений | 1% (400Вт) | не указывается |
| Диапазон воспроизводимых частот | 1.5 – 100000 Гц | 20 – 30000 Гц |
| Потребляемая мощность | 700 Вт | 500 Вт |
| Масса | 81 кг | 25 кг |
Представитель усилителей класса А – Unison Research Sinfonia
Класс В
Представитель усилителей класса А – Unison Research Sinfonia
Класс В
Принцип работы усилителей, классов А, В и С.
Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В — это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.
Искажения типа ступенька в усилителях класса В.
Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.
Класс АВ
Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.
Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.
Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.
Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.
Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:
| Характеристики | A | B | AB |
| Теоретический КПД | 50% | 78% | Зависит от режима |
| Реальный КПД | 15-30% | 50-60% | 40-50% |
| Нелинейные искажения | малые | Высокие | средние) |
| Потребляемая мощность | постоянная | зависит от выходной | зависит от выходной |
| Термостабильность | низкая | высокая | средняя |
Представитель усилителей класса АВ – AudioLab 6000A
Класс H
Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.
Представитель усилителей класса АВ – AudioLab 6000A
Класс H
Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.
Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.
Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя. КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.
Класс D
Строго говоря, класс D — это не только схема построения или режим работы выходного каскада — это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.
Блок схема цифрового усилителя
Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM — Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.
В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность («ширина») изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.
График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.
В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.
Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность — с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.
Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.
Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток — зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах. Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.
Такие усилители применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.
Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.
Представитель усилителей класса D – Cambridge Audio EVO75
Класс G
Подобно гибридному автомобильному двигателю, класс G использует несколько источников напряжения питания, а не один. Если получен динамический сигнал, выходящий за пределы возможностей этого первого источника питания, вторичный источник постепенно доводится до полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию в качестве дополнительной мощности и используется только при необходимости. Такой тип усиления спокойно относится к акустике с низкой чувствительностью или если необходимость в высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.
Первый блок питания имеет меньшую мощность, и в этом диапазоне мы работаем в чистом классе A, в котором нет кроссоверных искажений. Поскольку вторичный источник используется только при необходимости, возможны экстремальные уровни мощности, потому что очень мало энергии теряется в усилителе в виде тепла, когда он не используется.
Плюсы:
высокая эффективность;
низкая теплоотдача;
компактность.
Минусы:
стоимость.
Представитель усилителей класса G — ARCAM HDA SA30