Усилитель звука класса d что это

Усилитель звука класса d что это

Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

Идея создания усилителей класса D родилась в СССР в далёком 1951 году (Википедия).

Но это оказался как раз тот случай, когда путь от идеи до крупносерийного производства оказался очень долгим, в несколько десятилетий.

Причиной тому было отсутствие подходящей для этого элементной базы.

Фактически, такие усилители оказались оправдывающими заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах используются быстродействующие MOSFET- транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии; вот до их создания и прошли десятилетия.

В таком режиме (класса D) максимально реализуется главное заложенное в идее таких усилителей преимущество: высокий КПД.

Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:

— транзистор закрыт, на нём высокое напряжение, но нулевой ток;

— транзистор открыт, на нём малое напряжение, но высокий ток.

Формирование собственно аналогового сигнала осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем полученное напряжение сглаживается фильтром и приобретает пригодный для воспроизведения вид (фильтр требуется не всегда).

(изображение из обзора усилителя D- класса конфигурации 2.1 на микросхеме TPA3255 )

В усилителях класса D (класса Д в русском написании) КПД может достигать 90% и выше.

Во-вторых, уменьшаются габариты и масса усилителей.

В-третьих, при использовании в устройствах с автономным питанием, повышается длительность автономной работы.

Отсутствие искажений типа «ступенька»

В усилителях класса «B » такие искажения образуются за счёт того, что при переходе сигнала через ноль в выходном каскаде верхнее плечо включается позже, чем выключается нижнее. В результате в течение некоторого времени сигнал «зависает» на нуле:

В усилителях класса «AB» такие искажения сигнала снижаются за счет схемотехнического «сближения» уровней верхнего и нижнего плеча так, чтобы они слегка пересекались.

В современных микросхемах усилителей мощности низкой частоты класса «AB» этот эффект можно заметить только на высоких частотах и в весьма специфическом виде: там может «звенеть» одна из полуволн сигнала из-за несимметричности транзисторов в выходном каскаде.

Так выглядит этот эффект в микросхеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):

(изображение из обзора усилителя на TDA2050 )

Частота «звона» выходит далеко за пределы слышимости человеческого уха; но меломаны утверждают, что всё равно этот эффект звук портит, и истинно качественный звук может быть только на ламповых усилителях.

В усилителях класса D этого эффекта не может быть в принципе, так как транзисторы выходного каскада работают в ключевом режиме и момент перехода через ноль у них крайне короткий.

Недостатки усилителей D- класса

Итак, с «плюсами» усилителей класса D разобрались.

Пора заняться и минусами!

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от сопротивления нагрузки и её характера (активная или активная с индуктивной составляющей).

При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс подавляется и не заметен. Но при повышении сопротивления нагрузки и/или добавлении индуктивной составляющей он становится явственным.

АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя (обведена на изображении красной рамкой, после неё следует повторение цикла сигнала с нарастающей частотой).

Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.

2. Коэффициент демпфирования усилителей D- класса ниже, чем у усилителей класса AB.

Чем коэффициент демпфирования выше, тем лучше подавляются паразитные резонансы в акустической системе; и тем более качественно можно воспроизвести звук.

В усилителях класса AB за счёт отрицательной обратной связи (идущей прямо с выхода) их выходное сопротивление усилителей удаётся сделать сколь угодно близким к нулю во всём рабочем диапазоне частот.

Фильтры имеют как омическое сопротивление, так и индуктивное сопротивление, возрастающее с ростом частоты.

0.4% на каждый градус). Нагрев возникает как за счёт передачи тепла от других элементов, так и за счёт «саморазогрева» при протекании тока в нагрузку.

Для частот свыше 1 кГц импедансом фильтров уже нельзя пренебречь.

Существуют и усилители D- класса без фильтров. В этом случае в качестве фильтра выступает звуковая катушка динамика.

Теоретически можно было бы записать повышенный уровень радиопомех от усилителей как отдельный недостаток, но практически радиопомехи возникают только в случаях грубых ошибок при проектировании усилителей.

Например, это возможно в тех случаях, когда мощный усилитель разработан в исполнении без фильтров.

В таком случае кабель, идущий от усилителя к колонкам превращается в добротную излучающую антенну; а благодаря крутым фронтам импульсов излучается не только основная частота ШИМ, но и многие десятки гармоник.

3. Линейность усилителей D- класса может оказаться хуже, чем у усилителей класса AB.

Это связано с тем, что внутри усилителя имеется генератор пилообразного напряжения, с которым сравнивается входное напряжение для формирования выходных импульсов ШИМ. Если сформированное пилообразное напряжение будет иметь нелинейности, то они напрямую передадутся на вход.

4. Помехи от источника питания могут передаваться на выход

Обычно микросхемы усилителей класса D имеют системы подавления помех от источника питания; но из-за физических принципов работы усилителей D- класса такое подавление не может быть полным.

Итоги и выводы

Усилители класса D сделали небольшую революцию в усилительной технике, но только с точки зрения КПД и его последствий, т.е. возможности сокращения габаритов звуковоспроизводящих устройств и увеличении длительности их автономной работы (при необходимости таковой).

С точки зрения качества воспроизведения звука никакой революции не произошло. Оно если и изменилось, то совсем немного и притом не в лучшую сторону.

Некоторый «плюс» усилителей класса Д в отношении качества звука (в виде полной ликвидации искажений типа «ступенька») вряд ли будет заметен, если сравнивать с современными высококачественными микросхемами усилителей мощности класса AB.

Но, в тоже время и негативные эффекты, связанные с повышением выходного импеданса на высоких частотах, вряд ли будут ощутимы при работе на фиксированную нагрузку в виде достаточно качественных акустических систем.

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

Ваш Доктор.

Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам

Источник

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?

Все наверняка слышали о том, что усилители могут работать в классах А, АВ или, скажем, в классе D. Но, как показывает практика, далеко не все знают о том, что кроется под этими обозначениями. Сейчас мы вам расскажем, что это такое, и постараемся сделать выводы – какой усилитель и в каких случаях подойдёт вашей аудиосистеме лучше всего.

Как работают усилители?

Для начала нужно понимать, как вообще работает любой усилитель. Возможно, вы удивитесь, но на самом деле он… ничего не усиливает. Принцип его работы больше похож на работу обычного водопроводного крана – вы крутите ручку, и вода льётся то сильнее, то слабее, то не льётся совсем.

В усилителях всё происходит точно так же – ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Роль «крана» выполняют выходные транзисторы, а управляет их открытием и закрытием сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства. И вот то, каким образом работает этот «кран» (выходные транзисторы), как раз и определяет класс усилителя.

Как работают усилители АВ-класса?

Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.

Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.

По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.

На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую. Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.

Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).

В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.

Как работают усилители D-класса

Основной принцип работы D-класса абсолютно тот же, что и у АВ-класса – у таких усилителей тоже есть выходные транзисторы, которые умеют открываться или закрываться, регулируя ток через подключенные к ним динамики. Только управляет их открытием сигнал, который своей формой очень далёк от входного.

Сигнал, который пришёл на усилитель от головного устройства, непрерывен, но его амплитуда постоянно меняется. На входе усилителя D-класса он преобразуется в импульсный – амплитуда постоянная, но зато сигнал прерывается. Длительности импульсов и пауз между ними меняются пропорционально входному сигналу. Например, выше амплитуда входного сигнала – импульсы длиннее, ниже амплитуда – импульсы короче.

Именно такой сигнал и подаётся на выходные транзисторы. И очевидно, что в этом случае они будут работать совершенно по-другому – либо полностью открываться, либо полностью закрываться, без промежуточных вариантов. Это означает, что потери на ненужный нагрев будут минимальными, а значит, КПД усилителя D-класса может вплотную приближаться к идеалу в 100%.

Разумеется, подавать такой прерывающийся сигнал сразу же на акустические системы ещё рано, перед этим его нужно «вернуть» в обычную форму. Это делается с помощью специальных элементов – выходного дросселя (катушки индуктивности) и конденсатора. После них на выходе и получается усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной. Вот он и идёт на динамики.

Главное достоинство усилителей D-класса – высокий КПД, а значит, и более экономное расходование энергии блока питания. При прочих равных усилители D-класса мощнее и компактнее, чем традиционные усилители.

Какой усилитель лучше – D-класса или АВ-класса?

Долгое время считалось, что для подключения акустических систем нужно выбирать усилители АВ-класса, потому что им не нужны большие мощности, и у них меньше искажений. Это было связано с тем, что в усилителях D-класса входной сигнал обычно преобразовывался в импульсный с невысокой частотой, и в итоге они хорошо работали лишь в сабвуферном диапазоне.

Сегодня технологии шагнули далеко вперёд, появились мощные быстродействующие транзисторы, которые умеют переключаться (открываться и закрываться) практически мгновенно. На рынке появилось немало широкополосных усилителей D-класса. Широкополосные – это такие усилители D-класса, которые рассчитаны на использование не только с сабвуферами, но и с акустическими системами. Для тех случаев, когда большая мощность не нужна, такие усилители можно сделать чрезвычайно компактными.

Как выбрать усилитель?

Если позволяет место, для подключения акустических систем вы можете смело выбрать усилитель АВ-класса. Схемотехника таких усилителей за долгие годы хорошо отработана, они имеют высокое качество звучания и, в случае неисправности, их можно легко отремонтировать в ближайшей мастерской.

Когда место для инсталляции усилителя сильно ограничено, обратите внимание на широкополосные модели D-класса. При той же мощности, что и у моделей АВ-класса они намного компактнее, в большинстве своём меньше греются, и их можно установить даже скрытно, с минимальными вмешательствами в штатные элементы автомобиля.

Для подключения сабвуферов больше преимуществ имеют усилители D-класса. Бас – это самый «энергозатратный» частотный диапазон, а потому КПД усилителя может иметь решающее значение. А этом у D-класса конкурентов нет.

Источник

Усилители низкой частоты классов: А, B, AB, D, G, H

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.

Источник

Какие бывают классы усилителей звука и их отличия

Современные звуковые усилители относят к нескольким классам. Если у человека нет опыта в настройке аудиоаппаратуры и работе с акустикой, обозначения классов ни о чем не скажут. А между тем, эти буквенные маркировки скрывают в себе конкретные характеристики и показатели, влияющие на качество работы звукового оборудования. Ниже будет подробнее рассказано о том, что такое классы усилителей звука, а также о методах подбора аппаратуры для конкретных задач.

Что такое класс усилителя

Класс усилителя – уровень выходного сигнала, формирующийся из входного сигнала в процессе работы акустической установки. В одном цикле этот сигнал меняется в некотором диапазоне.

Преобразователи частоты разделяются на категории в зависимости от показателей линейности той технологии, которая используется для усиления. Встречаются модели с нужной точностью воспроизведения начального сигнала НЧ и УНЧ, а также нелинейные схемы. Во втором случае звуковой сигнал воспроизводится с меньшей точностью, однако КПД оказывается выше.

Классификация усилителей

Классификация усилителей звука по классам предусматривает разделение на две группы. В первую группу входят устройства A, B, AB и C. Обладают сходными показателями проводимости. Транзистор устанавливается в положении между включением и выключением.

Вторая группа включает в себя устройства с маркировками D, E, F, G, S, H и T. Эти приборы также называются переключающимися. Для работы тут используется принцип импульсной модуляции, а также современные цифровые методики для непрерывного прохода сигнала между положениями выключено и включено. В результате получают нужный выходной сигнал в диапазоне насыщения.

Ниже представлена таблица сравнения характеристик усилителей первой группы, включающей в себя модели A, B, AB и C. Они чаще берутся для рассмотрения, тогда как усилители второй группы представляют собой различные вариации со средними показателями для использования в конкретных условиях.

В чем отличие между классами усилителей

Для полного понимания классификации усилителей рекомендуется подробно изучить каждую категорию, рассмотрев особенности функционирования приборов, а также специфику применения в тех или иных случаях.

Класс А

Усилители категории А считаются распространенными и доступными для использования. Просты по конструкции, характеризуются линейностью, а также средними показателями искажения. Эти особенности помогают добиться нужного качества звучания при организации акустики.

Чаще в конструкции используется один вид транзисторов. Его подсоединяют так, чтобы ток на колонки шел даже тогда, когда основной входной сигнал не идет.

Отнести прибор к группе A можно в том случае, если ток нуля во время холостого хода будет идентичен току нагрузки во время работы.

Усилители категории A функционируют в ультралинейной частотной области, а значит, смещение требует правильной установки. Только так гарантируется работа с достижением необходимого звукового потока.

усилитель А класса

Так как оборудование на выходе отключено, оно проводит ток и вызывает мощностные потери. Выделяется тепло, а КПД снижается до 40%. Так что аппараты представляются непрактичными при организации высокомощных установок.

Чтобы оборудование могло правильно работать, блоку питания придаются необходимые габариты, а входной сигнал фильтруется перед подачей на усилитель. Иначе повышается вероятность появления постороннего гула во время работы.

Класс В

Для повышения КПД и уменьшения нагрева конструкции было решено разработать усилители группы B. Приборы оснащаются двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых усиливает только половину сигнала. Специфика конструкции обуславливает осуществление 50% цикла в положительном или отрицательном периоде.

Тока смещения тут не будет, потому что ток покоя прибора нулевой. Это привело к тому, что мощность аппаратуры невысока. КПД же выше, чем у аппаратов категории А.

Оборудование вдвое эффективнее приборов группы А. Но есть и минус, который представлен искажениями во время работы.

Искажения обусловлены наличием некоторого коридора в транзисторах. Часть сигнала в этом коридоре будет видоизменяться, что вносит корректировки в выходной сигнал.

Класс АВ

Объединив свойства приборов категорий А и B инженерам удалось получить функциональный аппарат, объединяющий положительные качества этих приборов. По конструкции больше похожи на усилители группы В. Главное отличие в том, что транзисторы одновременно проводят сигнал в непосредственной близости с точками пересечения осциллограмм. Смещающее напряжение тут составит 5-10% соответствующих показателей тока покоя.

Описанный подход помогает устранить проблемы больших искажений сигнала, характерных для устройств категории В.

Оборудование AB представляется компромиссом между минимальными искажениями и КПД. Эффективность преобразования составляет 50%.

Класс С

Установки класса C характеризуются эффективностью, но при этом нелинейны. Входной ток равен нулю и сохраняется на данной отметке половину времени цикла обработки сигнала. Транзистор в этот момент переключен в ожидание.

Подобный подход гарантирует КПД около 80%, однако во время использования прибора в сигнал вносятся изменения. Из-за этого усилители редко используют в акустике. Гораздо чаще встречаются в различных генераторах, радиоприборах, а также других преобразователях сигнала.

Класс D

Усилители класса D принято относить к группе нелинейных импульсных приборов, которые также называются ШИМ-усилителями.

Интегральные схемы отличаются мощным рассеиванием даже при идеальной реализации. Подход дает некоторые преимущества приборам за счет малого теплового выделения, легкости и компактных размеров. Приборы обходятся дешевле, а время самостоятельной работы больше.

Для правильного функционирования приборов потребуется высоковольтная плата в 10000 ватт.

Другие классы

Отдельно принято рассматривать другие классы работы усилителей, применяемые для решения специфических задач:

Какой класс усилителей звука лучше

В зависимости от сферы использования и особенностей окружающих условий подходящими вариантами становятся усилители всех групп. Отдельно стоит рассматривать оборудование для дома и авто.

Для дома

Подбирая усилитель для домашней акустики, лучше вперед рассмотреть устройства категорий АВ и D с маркировками «sound». Первый тип представляет собой аналоговый прибор, который гарантирующий качественное звучание со средними искажениями.

Устройства категории D – цифровые модели, которые способны обладать любыми характеристиками в зависимости от установленных на схеме компонентов.

Для автомобиля

На автомобилях используют классы автоусилителей А, В, АВ и D. Модели разновидности А на практике встречаются редко из-за дороговизны и низкого КПД.

Стереоусилитили класса В характеризуются большим КПД, но проигрывают в плане искажений звучания. В автоакустике также применяются редко.

Распространенными среди автолюбителей считаются устройства категории АВ. Характеризуются средним качеством звучания, нужными показателями мощности, чистым звуком и повышенным КПД. Подходит для сабвуферов мощностью от 500 до 600 Вт.

Оборудование категории D используют для обработки цифровых сигналов. Приборы компактны, а также характеризуются повышенными показателями мощности. КПД на уровне 90-98% сводит к минимуму вероятность перегрева прибора, а значит, тут не требуется специальный радиатор охлаждения. Среди автомобилистов такие модели не распространены по причине дороговизны.

Как определить класс усилителя звука

Рассматривая усилитель, важно понимать принцип работы и особенности функционирования на всех мощностях. Сам по себе этот механизм ничего не усиливает, работая по принципу крана.

От источника питания ток проходит сквозь динамик. Транзисторы в усилители выполняют функцию крана, закрывая или открывая поток электричества. Специальный сигнал управляет степенью закрытия устройства. Специфика действия транзисторов влияет на категорию оборудования.

На моделях группы АВ транзисторы открываются и закрываются непропорционально поступающим на выход сигналам. При этом параметры будут неизменными. По аналогии с водопроводным краном, вода сначала будет течь медленно, а затем неожиданно превратиться в сильный поток. Такая особенность оборудования требует удерживать транзисторы в полуоткрытом состоянии даже тогда, когда сигнал отсутствует. За счет этого добиваются моментального включения в работу без необходимости ожидания до выхода на мощность.

Усилители D работают сходным образом. Тут также используются выходные транзисторы, способные открываться и закрываться в процессе работы. При этом регулируется прохождение тока к колонкам. Управление транзисторами берет на себя специальный сигнал, отличающийся от входного. Транзисторы могут закрываться или открываться. Никаких промежуточных положений не предусмотрено. За счет такого подхода удается добиться нужного КПД.

При помощи выходного дросселя полученный сигнал может снова получить нужную конфигурацию. Также для этого используется конденсатор, формирующий усиленный выходной сигнал в форме входного.

Устройства D легко определить по повышенному КПД, а также экономному расходу электроэнергии. Они используются для организации акустических установок. А относительно небольшие размеры помогут в том случае, если организовать хороший звук нужно в условиях ограниченного пространства.

Если площади много, подходящим вариантом становится аппарат АВ, который способен выдавать неплохие показатели КПД за счет быстродействующих транзисторов.

При использовании сабвуферов большее преимущество оказывается у аппаратов класса D. Сабвуферы требуют энергетических затрат, а значит показатель КПД оказывается принципиальным.

Рынок предлагает пользователям множество усилителей. Можно без проблем купить необходимую аппаратуру в Москве или другом городе. Главное – учесть класс прибора и правильно подобрать характеристики для конкретной акустической системы.

Источник