Усилитель звука что это такое
Классы усилителей. Устройство и принципы работы
Содержание
Содержание
Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.
Усилители класса А
Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.
Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.
Усилители класса B
Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.
Усилители класса AB
Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.
Усилители класса С, H, G
Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.
В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.
Усилители класса D
В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.
Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.
На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.
Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.
Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.
Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.
Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.
В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.
Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.
В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:
В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).
Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.
Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.
Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.
Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.
А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:
Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.
Заключение
Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.
Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.
Усилитель для наушников — зачем он нужен и как выбрать?
Содержание
Содержание
Если вы любите слушать музыку в наушниках, то наверняка хоть раз слышали о каких-то таких крутых моделях, которым обязательно нужны усилители. Что вообще такое усилитель для наушников, зачем он нужен и пора ли бежать за ним в магазин? Как понять, что вашим наушникам необходим (или нет) этот самый усилитель? Разбираемся.
Многие предпочитают слушать музыку через наушники. Кто-то любит чувство изолированности от окружающего мира, других привлекает глубокий звук. Они портативны, удобны, незаменимы в поездках и путешествиях. Однако при покупке качественных наушников многие сталкиваются с тем, что звук тихий, глухой, тусклый, басы вялые. Такое бывает из-за несоответствия характеристик наушников и выхода аудиоустройства. Проблемы возникают, когда «уши» с высоким сопротивлением и низкой чувствительностью подключены к смартфону, плееру или встроенной звуковой карте, хотя при очень требовательных к питанию моделях иногда сдаются и внешние аудиокарты.
Почему наушники звучат плохо?
Если коротко: высокоомные наушники любят высокое напряжение, но им не нужен большой ток. Аккумулятор смартфона или плеера чаще всего попросту не может обеспечить встроенный усилитель достаточным напряжением. Поэтому его рассчитывают под наушники с небольшим импедансом, которым важнее ток, чем напряжение.
Чтобы ответить подробнее, нужно сделать пару лирических отступлений. Для начала следует разобраться в импедансе.
Импеданс — это номинальное сопротивление на входе наушников, измеряется в Омах. По величине сопротивления все наушники можно условно разделить на три группы:
Зачем вообще наушникам высокое сопротивление? На самом деле, до недавнего времени со звучанием «ушей» особо не заморачивались. Самый качественный звук традиционно предлагали студийные модели, и они все были высокоомными, потому что студийная техника всегда обладала мощными выходами. Подключенные к ним низкоомные наушники звучали бы слишком громко вплоть до боли в ушах.
Второе преимущество, о котором задумались уже чуть позже — больший вольтаж дает большую детализацию и лучшую динамику, звучание становится как бы более насыщенным, ярким и глубоким. В итоге среди производителей хай-фая и хай-энда пошла мода выпускать дорогие высокоомные модели, и сегодня они занимают существенную часть рынка. Разумеется, это не значит, что любая высокоимпедансная модель звучит лучше наушников с низким сопротивлением.
Кроме импеданса еще одним важным значением является чувствительность наушников. Это сколько децибел они выдадут в расчете на милливольт. Есть схожий параметр — эффективность, измеряется в децибелах на милливатт, но обычно указывается именно чувствительность.
Теперь правила:
Например:
Однако даже если наушники нетребовательны к сигналу, это еще не означает, что встроенный усилитель смартфона или плеера не портит качество их звучания. Нередко копеечные усилители вносят искажения, особенно на высокой громкости, а также имеют раздражающие посторонние шумы и фоновое гудение. Они возникают из-за влияния различных радиоэлементов друг на друга при слишком плотной компоновке корпуса. Обойти ограничения встроенных усилителей помогают внешние усилители для наушников.
Усилители наушников
Как нетрудно догадаться, они усиливают аудиосигнал воспроизводящего устройства до нужных значений. Но современные модели умеют гораздо больше и бывают трех основных типов:
1. Портативные, чтобы воткнуть в него смартфон или плеер и слушать музыку в дороге. Они очень удобны:
Но, как водится, есть и минусы:
2. Стационарные, причем разных ценовых категорий:
Стационарные усилители для наушников выполняют ту же роль, что и обычные усилители у любителей большой акустики, но с дополнительными фичами. Как правило, в них встроен ЦАП, поэтому они сочетают в себе роль внешней аудиокарты и усилителя. Например, FOSTEX HP-A8MK2 — такие штуки удобны, если нужен бескомпромиссный прибор для извлечения максимально качественного звука из домашнего ПК прямо в уши.
3. Студийные усилители нужны, в основном, для живой записи группы музыкантов — хора, оркестра и т. п. Поэтому студийные приборы имеют по восемь выходов на наушники, чтобы каждый исполнитель мог себя слышать. Некоторые из них имеют вид внушительных рековых приборов и попросту не нужны в домашних условиях, хотя на студии без них никуда.
Студийный Behringer HA4700 Headphone Amp
Как правильно подобрать усилитель для наушников
Рассчитать, сколько питания потребуется приглянувшимся наушникам, можно онлайн. Энтузиасты сделали множество бесплатных калькуляторов, например, Headphone power calculator. С помощью него можно узнать, сколько Милливатт нужно для того, чтобы наушники звучали с желаемой громкостью.
Делается это следующим образом. К примеру, есть наушники Beyerdynamic DT 990, версия на 250 Ом, их чувствительность составляет 96 Дб. Если ввести эти данные в калькулятор, получится вот такая таблица:
Обычно смотрят на громкость в районе 110 Дб — это в 10 раз ниже болевого порога. В характеристиках наушников видно, что именно такую громкость берут по умолчанию, когда указывают мощность (если указывают):
Далее нужно открыть характеристики выбранного усилителя и посмотреть на его выходную мощность — та должна быть не меньше. Иногда производители указывают на сайтах, сколько милливатт может выдать усилитель при определенном значении сопротивления. Например, у FiiO Q1 II при 300 Ом — всего 11 мВт на канал, поэтому он наушники Beyerdynamic DT 990 не прокормит:
Он, конечно, и не должен, ведь максимальное сопротивление в характеристиках заявлено 150 Ом, однако тот факт, что производитель указал на сайте выходную мощность для 300 Ом, намекает, что наушники с таким импедансом и чувствительностью выше 106 Дб все-таки смогут с ним ужиться, хоть и на страх и риск покупателя. А вот Sony PHA-2A подойдет идеально — даже будет запас по мощности:
Запас по мощности — важный момент. Как правило, импеданс наушников не фиксированный, он меняется в зависимости от спектра частот. Например, наушники Sennheiser известны тем, что имеют на басовых частотах пиковые значения импеданса до 450–600 Ом! Графики импеданса можно найти не на всех сайтах производителей, поэтому ими часто занимаются энтузиасты, но из них всегда можно узнать много интересного. Например, что в сочетании с усилителем без запаса по мощности басовые частоты будут проседать на высокой громкости.
Импеданс Sennheiser HD650 имеет выраженный подъем в басовом и высокочастотном диапазонах.
Усилители для наушников действительно делают и громче, и лучше. Большинство портативных моделей обходят ограничения смартфона или плеера и обрабатывают сигнал по-своему. Многие стационарные модели сочетают в себе возможности внешней звуковой карты и усилителя, обладая при этом целым набором полезных функций.
Можно с уверенностью сказать, что усилитель необходим обладателям капризных к источнику звука высокоомных наушников с низкой чувствительностью — такие не выдадут и десятой части своего потенциала при подключении напрямую смартфону или планшету. Если в усилителе есть ЦАП и возможность слушать музыку в высоком разрешении (например, 24 бита \ 192 кГц), тогда он превратит любой смартфон в Hi-Res-плеер. Правда, расплатой за все это волшебство будет дополнительная коробочка в кармане.
Усилитель мощности звука
Усилитель мощности звука (усилитель звуковой частоты, усилитель низкой частоты) — это устройство для усиления электрических сигналов в пределах диапазона частот, которые различает человеческое ухо (в среднем 20 Гц — 20 кГц). Усилитель повышает мощность сигнала источника звука, чтобы при подаче этого сигнала на устройство вывода звук получился громким и без искажений.
История развития усилителей мощности звука
Далёким предком современных усилителей звука можно назвать рупор граммофона. Принцип действия в этом устройстве был следующим: механическая игла движется по бороздкам пластинки и вызывает колебания. Эти колебания передаются специальной мембране, которая и воспроизводит звук, а он многократно (в 16 раз для первых моделей) усиливается с помощью рупора (раструба).
Граммофон D-298 Victor III (Источник)
Следующий этап развития усилителей пришёлся на распространение ламповой электроники. Ламповые усилители до сих пор используются в Hi-End сегменте аудиосистем. Преимущества такого усилителя — отсутствие т. н. белого шума, который есть в полупроводниковых устройствах и особенное звучание, характерное только для устройств этого типа. Недостатки — низкий КПД, повышенный расход энергии и тепловыделение, подверженность высокочастотным наводкам и высокая цена. Также ламповая электроника требует предварительного “прогрева” устройства перед работой.
Вакуумные лампы внутри предусилителя современного гитарного усилителя (Источник)
Во второй половине XX века появляются первые транзисторные устройства для усиления звука. Все современные усилители – их прямые потомки.
Интегральная микросхема (ИМС), применяемая в усилителях мощности звука (Источник)
Ошибочно полагать, что усилитель — это некий отдельный блок, к которому подключается источник звука и устройство вывода. Такой подход действительно распространён в профессиональной среде или у аудиоэнтузиастов, но современный облик усилителя звука в потребительском сегменте — это микросхема внутри автомобильной магнитолы, детской игрушки, mp3-плеера и т. д.
Классификация усилителей мощности звука
Сфера использования
По сфере использования усилители делятся на бытовые и профессиональные:
Стереоусилитель Unitra WS-503 (Источник)
Профессиональные усилители звука, в свою очередь, делятся на:
Клавишный (инструментальный) усилитель (Источник)
Стоимость и качественное исполнение профессиональных усилителей звука намного выше бытовых.
Количество каналов
Количество каналов, которые поддерживаются усилителями звука, в среднем варьируется от одного до шестнадцати. Большинство усилителей являются двухканальными. Это значит, что к ним можно подключить до двух динамиков в моно- или стереорежиме. Оптимальная конфигурация подключения: один канал — один динамик.
Классы
В традиционной классификации Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) используются латинские буквы A, B, C и D для обозначения разных классов (режимов) работы усилителей мощности звука. Единого реестра классов для таких устройств не существует, поэтому вне рамок традиционного стандарта используются и другие режимы. Одна и та же буква в таких классификациях может обозначать совершенно разные характеристики, поэтому они не рассматриваются в статье.
Класс A — в этом режиме работают широкополосные однотактные ламповые усилители. Их КПД очень мал (около 20%), но практически отсутствуют высокие нелинейные искажения.
В класс B входят различные транзисторные усилители. Устройства в этом режиме имеют сравнительно низкий уровень шумов, КПД намного выше, чем в режиме A и составляет 70%. Но звук получается “сухим”, поэтому этот режим непопулярен.
В рамках класса AB инженеры объединили преимущества двух перечисленных выше классов. При максимальной нагрузке задействуется режим B, а при обычной и минимальной — режим A. КПД получается около 60%.
Класс С непригоден для воспроизведения звука и чаще всего используется в усилителях радиопередатчиков из-за высокого КПД (от 78,5%).
Класс D представляет собой усилитель с импульсным управлением. Этот режим был добавлен в традиционную классификацию в 1955 году. Он характеризуется сравнительно высоким КПД (85%), качественным звуком и малогабаритностью, что обеспечивает мобильность устройств этого класса.
Мощность и искажения
Одной из важных характеристик при выборе усилителя является его мощность. Она измеряется в ваттах (Вт) и вы легко найдёте её значение в документации и даже на упаковке. Проблема заключается в том, что производители по-разному трактуют само определение мощности как таковой. Кроме того, существует несколько стандартов её определения. Поэтому при выборе усилителя нередко возникает путаница.
Отметим также, что выдаваемая усилителем мощность напрямую зависит от сопротивления подключённых к нему устройств вывода звука.
Распространённые определения мощности:
Как выбрать усилитель мощности звука
При покупке как бытового, так и профессионального усилителя звука придерживайтесь следующего правила: усилитель следует выбирать вместе с акустической системой. Это нужно для согласования мощности устройств — слабый усилитель не сможет работать при максимальной нагрузке длительное время, а слишком мощный выведет динамики из строя. Также при расчёте требуемой мощности всегда закладывайте некоторый запас — лучше не эксплуатировать устройство на пределе его возможностей.
Для домашнего использования следует сперва задуматься, а действительно ли вам нужен усилитель? Скорее всего, он уже встроен в устройство воспроизведения звука и его характеристик обычному пользователю хватит с избытком. Если же вы ценитель с особыми требованиями к звучанию — обратите внимание на ламповые усилители.
При выборе профессионального устройства определитесь с условиями использования — в каком месте нужно усиливать звук, при каких условиях и какой именно звук? Усилители звука систем экстренного оповещения работают на совершенно других принципах, нежели усилителя звука в студиях звукозаписи.
Также покупатели часто упускают, что качество работы усилителя не измеряется исключительно мощностью. Не следует забывать об уровне шума, весе и габаритах усилителя, материалах и качестве исполнения.
Где купить усилитель мощности звука
Купить усилитель мощности звука по доступной цене вы сможете на сайте наших партнёров Unitsolutions. Ниже мы составили список наиболее актуальных решений в разных ценовых категориях.
BKR BR-GD350
Открывает нашу подборку недорогой усилитель класса D, BKR BR-GD350 мощностью 500 Вт. Устройство использует импульсный блок питания и фокусируется на надёжности при эксплуатации: в комплект поставки входит тефлоновый провод, устойчивый к перегреву, а система охлаждения позволяет устройству работать в широких температурных интервалах.
CROWN XLS 1002
Двухканальный усилитель мощности класса D, CROWN XLS 1002 имеет встроенную защиту от перепадов напряжения в сети, оборудован цифровым процессором с DSP и позволяет настраивать входную чувствительность для каждого из каналов. Выходная мощность — 1100 Вт.
APart CONCEPT1
APart CONCEPT1 — это двухканальный 100-ваттный усилитель мощности. Устройство способно работать в монорежиме сразу с двумя зонами и регулировкой громкости для каждой из них. Управляется по шине RS232 или с помощью ПДУ (не входит в комплект поставки).
RCF AM 2320
RCF AM 2320 — одноканальный усилитель мощностью 320 Вт. Предназначен для интеграции в различные системы оповещения или для проведения трансляций. Присутствует 4 микрофонных и 2 AUX входа.
Yamaha PC406-D
И, наконец, представитель премиальных решений — четырёхканальный усилитель Yamaha PC406-D. Мощность 600 Вт, большая матрица входов (до 20 x 8), 16 входов/выходов Dante, встроенный акустический процессор, поддержка дистанционного управления с помощью ProVisionaire Touch/Control — всё по первому разряду.