3. История

• 1904 г. Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь. 

• 1932 г. Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью. 

• 1942 г. В США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

4. Виды усилителей по элементной базе

• Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы 

• Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.) 

• Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках 

5. Классификация усилителей

Усилитель условно можно разделить на четыре основные части. Блок питания усилителя, блок обработки входного сигнала, драйвер и блок формирования выходного сигнала.

В последующем тексте предлагаю рассказать только то, что я отметил синей краской.

Рис.1.Слева направо: типичные базовые схемы усилителей классов A, B или A/B, и полномостового усилителя класса D.

Класс А. Усилители этого класса обладают низкой эффективностью, но дают очень "чистый" сигнал. Большинство усилителей класса А имеют К.П.Д. равным 20-30%, то есть при потреблении 100 Вт от аккумулятора автомобиля он выдает сигнал на динамики мощностью всего в 20-30 Вт. Остальная мощность теряется в электрической цепи усилителя, превращаясь в тепло. Качественные усилители А класса редко применяются в автомобильных аудиосистемах, так как они обладают малой мощностью при очень высоких ценах. Ламповые усилители класса А можно встретить лишь в очень дорогих аудиосистемах уровня Hi-End.

Класс В. Эффективность усилителя этого класса почти в два раза выше эффективности усилителя класса А. Однако, искажения в выходном сигнале очень высоки, что делает этот класс усилителей неприемлемым для car audio.

Класс АВ. Большинство Hi-Fi усилителей принадлежат именно этому промежуточному классу. Они вобрали в себя возможности усилителей класса А - относительно "чистый сигнал" при относительно неплохой эффективности (немного ниже чем в классе В), компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала ("стыковка" ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому, что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается. Усилитель класса АВ объединяет в себе достоинства классов А и В. При малом уровне сигнала (примерно до 5-10 Вт) усилитель работает в классе А, затем переключается в класс В. Характеризуется относительно низкими искажениями и энергопотреблением. Класс АВ - наиболее распространенный тип усилителей мощности. 

Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B.

Рис.2.

Класс усилителя	A	B	AB
КПД	max.50%	max.78%	max.60-75%
Искажения	Малые	Высокие	Средние
Потребляемая мощность	Постоянная зависит от выходной	Зависит от выходной
Термостабильность	низкая	высокая	средняя

Табл.1.Сравнение классов А,Б и АБ

Другие классы усилителей (A+, SuperA, G, DLD, H,D)

     За все надо платить. Плата за малые искажения "чистого" класса A непомерна. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается внушительными радиаторами. Стереоусилитель мощностью 100 Вт на канал превращается в скромный электрокамин мощностью 400 Вт, который чем тише звучит, тем больше греется. В квартире камин не помеха, но в машине нужен только зимой. А экономичные усилители класса B явно проигрывают по качеству звучания и не устроят придирчивого меломана. Компромиссные усилители в режиме AB мечутся в поисках "золотой середины" между экономичностью и качеством звучания. Замкнутый круг. Выход был найден достаточно неожиданный - совместить два усилителя в одном так, чтобы и волки были сыты, и овцы целы. Так в начале 80-х появились усилители класса A+. По качеству звучания они приближаются к усилителям класса A, а по экономичности - к AB. Цена такого достижения немалая - усилитель стал практически вдвое сложнее (и существенно дороже).

Рис.Схема усилителя класса A+      Принцип работы усилителей класса A+ заключается в использовании управляемого источника питания. Выходной каскад класса A работает от "плавающего" (не связанного с "землей") источника низкого напряжения (обычно ±5 вольт), поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка "плавающего" источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от "нормального" источника достаточно высокого напряжения (несколько десятков вольт). За счет совместного использования двух усилителей достигается и качество, и экономичность. Коэффициент гармоник не превышает обычно 0,003%.       Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение - нужно запретить транзисторам запираться. Этим занимается специальная схема. Так появились усилители класса SuperA или non-switching. Качество звучания и экономичность практически такие же, как и у A+, но конструкция существенно проще, поэтому старый вариант быстро сошел со сцены.      

Класс D. Особый класс на основе ШИМ. Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства - очень высокая экономичность, Основное преимущество топологии класса D – обусловленный ее цифровым характером высокий КПД, который может превышать 90%. Недостатки - ВЧ импульсные помехи, которые необходимо подавлять.. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

Усилители класса D известны более 25 лет, но настоящую популярность приобрели лишь 10-15 лет назад. Из за их высокого КПД, они использовались, главным образом, на низких частотах при больших уровнях мощности, т.е., для управления сабвуферами, и очень редко – в средне- и высокочастотных приложениях, вследствие значительных искажений, связанных с несовершенством технологии переключающих схем того времени.

Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Затем последовательность прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. Фильтр НЧ на выходе выделяет полезный сигнал, подавляя при этом несущую частоту, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции. КПД этих усилителей доходит до фантастической цифры 92-95%. Это преимущество особенно проявляется при усилении сигналов малого уровня. Однако искажения сигналов малого уровня больше, чем среднего. Коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%.

Рис.3. Схема усилителя класса D без цепи ОС

Класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности.( В усилителях класса G применяется два значения напряжения питания выходного каскада, автоматически переключаемых при изменении сигнала на входе.)

 Битва за КПД привела к рождению монстров с коммутируемым выходным каскадом и управляемым источником питания. Самый простой вариант - усилитель класса G. В усилителе класса G используется сдвоенный выходной каскад в режиме AB или B и два источника питания разного напряжения. При малой мощности (до 25-30% максимальной) работает только малосигнальная половина выходного каскада с низким напряжением питания, на пиках сигнала она передает свои функции оставшейся половине с повышенным напряжение питания. Экономичность каскада выше, чем в режиме В, искажения несколько меньше.

Рис.7.УМ в режиме G

Сущность режима G в том, что два каскада работают при разных напряжениях питания. Пока амплитуда входного сигнала не превышает напряжение питания малосигнального каскада T1T1', в работе участвует только он. Диоды D1D1' защищают от пробоя обратным напряжением переход база-эмиттер транзисторов T2T2'. При дальнейшем росте входного напряжения они отпираются. При этом диоды D3D3' защищают источник низковольтного питания от броска тока. Диоды D2D2' запрещают транзисторам T1T1' перейти в состояние насыщения раньше, чем откроются транзисторы T2T2', что снижает возникающие при этом процессе переходные искажения. В этой схеме они возникают на фоне достаточно больших полезных сигналов, что позволяет эффективно бороться с ними при помощи отрицательной обратной связи.

Как уже стало понятно, все эти ухищрения достаточно сложны конструктивно и поэтому даже в пору расцвета встречались в домашних аудиосистемах редко. В автомобильных усилителях эти решения как-то не прижились - тогда было еще рано, а теперь уже поздно. Теперь особые надежды возлагаются на импульсные ("цифровые") усилители, о которых пойдет речь далее.

Дальнейшим развитием этой схемы стал каскад с динамическим линейным возбуждением (DLD, Dynamic Linear Drive). Принцип его работы практически такой же, но для снижения переходных искажений мощный высоковольтный каскад вступает в работу до того, как исчерпает свои возможности маломощный. Для реализации этого режима используется специальная схема управления. Применялись также усилители с управляемым источником питания, напряжение которого зависело от уровня сигнала.

Класс Н — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то типа ключевого усилителя класса D.( В усилителях класса H источник питания отслеживает входное напряжение и плавно изменяется в соответствии с ним. Характеризуется более высоким к.п.д, чем у класса G.)

 

В качестве итога - сравнительные характеристики усилителей различных типов:

Усилитель Класс T (Tripath) похож на класс D, только вместо аналоговой обратной связи с выхода фильтра используется цифровая обратная связь в обход выходного фильтра.  В усилителях класса T качество звучания повышено на порядок при сохранении высокой экономичности. Это особенно актуально при создании усилителей мощности головных аппаратов. Tripath Technology выпускает интегральные усилители мощностью 10 и 20 Вт для портативной аудиотехники и головных аппаратов, а также микросхемы для создания усилителей более высокой мощности - до 300 Вт. Усилители класса T по своим показателям не уступают лучшим образцам аналоговых усилителей. Уровень искажений минимален, а в спектре выходного сигнала практически отсутствуют высшие гармоники. В результате воспроизведение музыкального сигнала становится более естественным. .

ВЫВОД

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные аппараты дополняются рядом сервисных функций, позволяющих расширить функциональность звукоусилительной системы. Это и компьютерное управление усилителем, и программирование встроенного лимитера (что это?), а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов мы можем ожидать роста усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит наши возможности в создании звукоусилительных комплексов. 

ЛИТЕРАТУРА