Zesilovač zvukových frekvencí: typy, třídy a klasifikace podle kategorie

Zesilovač zvukových frekvencí je obecný termín používaný k popisu obvodu, který produkuje a zvyšuje verzi svého vstupu. Ne všechny technologie převodníků jsou však stejné, protože jsou klasifikovány podle jejich konfigurací a provozních režimů.

Elektronika obvykle používá malé zesilovače, protože jsou schopny zvýšit relativně malý vstupní signál, například ze senzoru, jako je přehrávač, na mnohem větší výstup pro ovládání relé, lampy nebo reproduktoru atd. p.

Existuje mnoho forem elektronických obvodů klasifikovaných jako zesilovače, od operačních a malých signálních senzorů až po velké měniče impulzů a výkonu. Klasifikace zařízení závisí na velikosti signálu, velkém nebo malém, jeho fyzické konfiguraci a způsobu zpracování vstupního proudu, tj.

Anatomie zařízení

Zesilovače zvukových frekvencí lze považovat za jednoduchou krabici nebo jednotku obsahující zařízení, jako je bipolární, Fet nebo operační senzor, který má dva vstupní a dva výstupní svorky (uzemnění je společné). A volno signál je mnohem větší kvůli jeho převodu na zařízení.

Ideální zesilovač signálu bude mít tři základní vlastnosti:

1. Vstupní impedance, nebo (R in).
2. Výstupní impedance, nebo (R OUT).
3. Zisk, nebo (A).

Bez ohledu na složitost obvodu zesilovače lze obecný model jednotky použít k prokázání vztahu těchto tří vlastností.

Obecné pojmy

Vysoce kvalitní zesilovače zvukové frekvence se mohou lišit svým výkonem. Každý typ má digitální nebo analogovou transformaci. Pro jejich oddělení jsou stanoveny kódové označení.

Zvýšený rozdíl mezi vstupními a výstupními signály se nazývá transformace. Zisk je měřítkem toho, jak moc zesilovač "převádí" vstupní signál. Například, pokud existuje vstupní úroveň je 1 volt a výstup je 50 voltů, pak konverze bude 50. Jinými slovy, vstupní signál byl vyvinut 50krát. Zesilovač zvukových frekvencí právě plní tento úkol.

Výpočet převodu je jednoduše poměr výstupu dělený vstupem. Tento systém nemá jednotky jako svůj poměr, ale elektronika obvykle používá symbol a k zesílení. Transformace se poté jednoduše vypočítá jako "výstup dělený vstupním signálem".

Měniče výkonu

Zvětšovač malého signálu se obvykle nazývá "napěťový" zesilovač, protože má tendenci převádět malý vstup na mnohem větší výstupní napětí. Někdy ovládání motoru nebo napájení reproduktoru vyžaduje obvod zařízení a aplikace tohoto typu, kde jsou zapojeny vysoké spínací proudy, vyžadují měniče výkonu.

Jak název napovídá, hlavním úkolem výkonového zesilovače (také známého jak velký zesilovač signálu) je dodávat energii do zátěže. Jedná se o produkt napětí a proudu aplikovaného na zátěž s výstupním výkonem vyšším než vstupní úroveň. Jinými slovy, převodník zvyšuje výkon reproduktoru, takže tento typ blokových obvodů se používá na vnějších stupních zvukových transformátorů pro ovládání reproduktorů.

Princip činnosti

Zesilovač zvukových frekvencí pracuje na principu převodu stejnosměrného proudu odebraného ze zdroje energie na střídavý napěťový signál dodávaný do zátěže. I když je konverze vysoká, její účinnost z stejnosměrného napájení na výstupní signál střídavého napětí je obvykle nízká.

Ideální jednotka dává zařízení faktor účinnosti 100% nebo alespoň výkon IN se bude rovnat výkonu OUT.

Třídní dělení

Pokud se uživatelé alespoň jednou podívali na specifikaci výkonových zesilovačů zvukové frekvence, mohli si všimnout tříd hardwaru, obvykle označených písmenem nebo dvěma. Nejběžnější jsou typy jednotek používané dnes ve spotřebitelském domácím zvuku jsou hodnoty A, A / B, D, G A H.

Tyto třídy nejsou jednoduché klasifikační systémy, ale popisy topologie zesilovače, to znamená, jak fungují na úrovni jádra. Zatímco každý typ zesilovačů má svůj vlastní soubor silných a slabých stránek ,jejich práce (a jak jsou hodnoceny konečné charakteristiky) zůstává nezměněna.

Spočívá v transformaci tvaru vlny odeslané předběžným blokem bez rušení nebo alespoň co nejmenšího zkreslení.

Třída A

Ve srovnání s jinými třídami zesilovačů zvukové frekvence, které budou popsány níže, jsou modely třídy a relativně jednoduchá zařízení. Určující princip práce je, že všechny výstupní jednotky převodníků musí projít celou 360stupňovou smyčkou signálu.

Třídu a lze také rozdělit na jednocípé a push-pull zesilovače. Push / pull se liší od výše uvedeného hlavního vysvětlení pomocí výstupních zařízení ve dvojicích. Zatímco obě zařízení provádějí celý 360stupňový cyklus, jedno zařízení bude nést většinu zátěže během pozitivní části cyklu a druhé bude mít více záporného cyklu.

Hlavní výhodou tohoto obvodu je snížené zkreslení ve srovnání s jednocípými konstrukcemi, protože jsou vyloučeny sudé variace řádu. Kromě toho, dvoudobé konstrukce třída A je méně citlivá na hluk.

Vzhledem k pozitivním vlastnostem spojeným s prací třídy a je považována za zlatý standard kvality zvuku v mnoha oblastech produkce akustiky. Tyto návrhy však mají jednu důležitou nevýhodu-účinnost.

Požadavek kladený na zesilovače zvukové frekvence na tranzistorech třídy a, aby všechna výstupní zařízení fungovala nepřetržitě. Taková akce vede k významným ztrátám energie, které jsou nakonec přeměněny na teplo. To je dále umocněno skutečností, že konstrukce třídy a vyžadují relativně vysoké úrovně klidového proudu, což je množství proudu protékajícího výstupními zařízeními, když zesilovač vydává nulový výstup. Ukazatele výkonnosti v reálném světě mohou být řádově 15-35%, přičemž je možné použít jednociferné číslice pomocí vysoce dynamického výchozího materiálu.

Třída B

Zatímco všechny výstupní mechanismy v zesilovači zvukové frekvence na tranzistorech třídy a při práci trvá 100% času, jednotky třídy B používají obvod push-pull takovým způsobem, že pouze polovina výstupních zařízení vede proud kdykoli.

Jedna polovina pokrývá + 180 stupňovou část tvaru vlny, zatímco druhá pokrývá průřez -180 stupňů. V důsledku toho jsou zesilovače třídy B podstatně účinnější než jejich protějšky třídy a s teoretickým maximem 78,5%. Vzhledem k relativně vysoké účinnosti byla třída B použita v některých profesionálních převodnících zesílení zvuku a také v některých domácích trubkových zesilovačích. Navzdory jejich zjevné síle jsou šance na koupi bloku třídy B pro dům téměř nulové. Studie zesilovače zvukové frekvence ukázala příčinu, známou jako zkreslení crossoveru.

Problém se zpožděním přenosu služeb mezi zpracovatelskými zařízeními pozitivní a negativní části tvaru signálu jsou považovány za významné. Je samozřejmé, že takové zkreslení v dostatečném množství je slyšet, a zatímco některé konstrukce třídy B byly v tomto ohledu lepší než jiné, třída B nezískala od milovníků čistého zvuku mnoho uznání.

Třída A / B

Trubkový zesilovač zvukových frekvencí najdete na mnoha koncertních místech. Vyznačuje se vysokým výkonem a nepřehřívá se. Kromě toho jsou modely mnohem levnější než mnoho digitálních jednotek. Existují však také odchylky. Takový modul nemusí fungovat se všemi zvukovými formáty. Proto je lepší použít zařízení jako součást celkového komplexu zpracování signálu.

Třída A / B kombinuje to nejlepší z každého typu zařízení a vytváří blok bez nedostatků ani jednoho. Díky této kombinaci výhod dominují na spotřebitelském trhu zesilovače třídy A/B.

Řešení je ve svém konceptu ve skutečnosti poměrně jednoduché. Tam, kde třída B používá dvoutaktní zařízení s každou polovinou výstupního stupně vodivého o 180 stupňů, mechanismy třídy A / B ji zvyšují na ~181-200 stupňů. Existuje tedy mnohem menší pravděpodobnost výskytu" mezery " ve smyčce, a proto je zkreslení crossoveru sníženo do bodu, na kterém nezáleží.

Trubkové zesilovače výkonu zvukové frekvence mohou tyto rušení absorbovat mnohem rychleji. Díky této vlastnosti je zvuk ze zařízení mnohem čistší. Modely podobných charakteristik se často používají k převodu zvuku akustických a elektrických kytar.

Stačí říci, že třída A / B splňuje své sliby a snadno překonává účinnost čistých konstrukcí třídy a s mírou řádově ~50-70% dosaženou v reálném světě. Skutečné úrovně samozřejmě závisí na posunutí zesilovače a na programovém materiálu a dalších faktorech. Za zmínku také stojí, že některé designy třídy A / B dělají o krok dále ve snaze eliminovat zkreslení crossoveru tím, že pracují v čistém režimu třídy A až na několik wattů energie. To poskytuje určitou účinnost při práci na nízkých úrovních, ale stále zajišťuje, že se zesilovač při dodávce velkého množství energie nezmění na pec.

Třídy G A H

Další pár návrhů navržených pro zvýšení efektivity. Z technického hlediska nejsou zesilovače třídy G ani třídy H oficiálně uznány. Místo toho se jedná o variace na téma třídy A / B využívající přepínání napětí na sběrnici a modulaci sběrnice. V každém případě za podmínek nízké poptávky systém používá nižší napětí na sběrnici než podobný zesilovač třídy A / B, což výrazně snižuje spotřebu energie. Přepíná na vysokonapěťovou sběrnici) pro zpracování přechodů s velkou amplitudou.

Existují také nevýhody. Hlavním z nich jsou vysoké náklady. Původní obvody přepínání sítí používaly bipolární tranzistory k řízení výstupních toků, což zvyšuje složitost a náklady. Vysoce kvalitní trubkové zesilovače zvukové frekvence tohoto typu běžné, i když cena začíná od 50 tisíc rublů. Jednotka je považována za profesionální techniku pro provoz na jevišti nebo nahrávání ve studiu. Existují problémy s tranzistory. Při dlouhodobém zatížení může část z nich selhat.

Dnes je cena často do určité míry snížena použitím vysokoproudých MOSFETů k výběru nebo změně vodítek. Použití MOSFETů nejen zvyšuje účinnost a snižuje teplo, ale také vyžaduje méně dílů (obvykle jedno zařízení na tok). Kromě nákladů na přepínání sběrnice, samotné modulace, stojí za zmínku také to, že některé zesilovače třídy G používají více výstupních zařízení než typický design třídy A / B.

Jeden pár zařízení bude pracovat v typickém režimu A / B napájeném nízkonapěťovými pneumatikami. Mezitím je druhá v pohotovostním režimu, aby fungovala jako napěťový zesilovač aktivovaný pouze podle situace. Odolávají vysokému zatížení pouze třídy G A H spojené s výkonnými zesilovači, kde se zvýšená účinnost ospravedlňuje. Kompaktní konstrukce mohou také používat topologie třídy G/ H na rozdíl od A / B, protože schopnost přepnout do režimu s nízkým výkonem znamená, že se mohou obejít s mírně menším chladičem.

Třída D

Tento typ zařízení umožňuje vytvářet modulární systémy. S pomocí zařízení probíhá vysoce kvalitní zpracování celého výstupního proudu. Navrhování výkonových zesilovačů zvukové frekvence vám umožní vytvořit si multimediální systém pro práci nebo zábavu. Zde však existují vlastní nuance. Převodníky třídy D, často mylně označované jako digitální zesílení, představují záruku účinnosti jednotky a při skutečných testech dosahují koeficientů přesahujících 90 %.

Nejprve stojí za to rozebrat otázku, proč to platí pro třídu D, pokud je" digitální zisk " nesprávný. Bylo to jen další písmeno v abecedě, s třídou C používanou ve zvukových systémech. Ještě důležitější je, jak lze dosáhnout účinnosti 90%+. Zatímco všechny výše uvedené třídy zesilovačů mají jedno nebo více výstupních zařízení, která jsou trvale aktivní, i když je převodník ve skutečnosti v pohotovostním režimu, jednotky třídy D je rychle přepnou do stavu "vypnuto " a"zapnuto". To je docela pohodlné a umožňuje používat modul pouze ve správných okamžicích.

Například výpočet zesilovačů zvukové frekvence třídy T, které jsou implementací třídy D vyvinuté společností Tripath, na rozdíl od základního zařízení, používají Spínací frekvence řádově 50 MHz. Výstupní zařízení jsou obvykle řízena pulzní šířkovou modulací. To je, když obdélníkové vlny různých šířek jsou generovány modulátorem, který představuje analogový signál pro reprodukci. S přísnou kontrolou výstupních zařízení tímto způsobem je teoreticky možná účinnost 100% (i když je zjevně nedosažitelná v reálném světě).

Ponořením do světa zesilovačů zvukové frekvence třídy D lze také najít zmínku o analogových a digitálních řízených modulech. Tyto řídicí jednotky mají analogový vstupní signál a analogový řídicí systém, obvykle s určitým stupněm korekce chyb zpětné vazby. Na druhé straně zesilovače třídy D s digitální transformací používají digitální ovládání, které přepíná výkonový stupeň bez kontroly chyb. Toto rozhodnutí také najde souhlas, podle recenzí mnoha kupujících. Cenový segment je zde však mnohem vyšší.

Studie zesilovače zvukové frekvence ukázala, že analogově řízená třída D má výkonnostní výhodu oproti digitálnímu protějšku, protože obvykle nabízí nižší výstupní impedanci (impedanci) a vylepšený profil zkreslení. To zvyšuje původní hodnoty systému při jeho maximálním zatížení.

Parametry zesilovačů zvukové frekvence jsou mnohem vyšší než parametry základních modelů. Je třeba pochopit, že takové výpočty jsou vyžadovány pouze pro tvorbu hudby ve studiu. Běžným kupujícím lze tyto vlastnosti přeskočit.

Obvykle se jedná o obvod l (induktor a kondenzátor) umístěný mezi zesilovačem a reproduktory, aby se snížil hluk spojený s provozem třídy D. Filtr jde dlouhou cestou. Špatný design může ohrozit účinnost, spolehlivost a kvalitu zvuku. Zpětná vazba po výstupním filtru má také své výhody. Ačkoli designy, které v této fázi nepoužívají zpětnou vazbu, mohou naladit svou odezvu na určitou impedanci, když takové zesilovače mají složité zatížení (tj. Zpětná vazba stabilizuje tento problém a poskytuje hladkou reakci na složité zatížení.

Nakonec má složitost zesilovačů elektrických zvukových frekvencí třídy D své výhody. Účinnost a následně nižší hmotnost. Protože se na teplo spotřebovává relativně málo energie, je zapotřebí mnohem méně energie. Mnoho zesilovačů třídy D se tedy používá ve spojení s spínanými napájecími zdroji (SMPS). Stejně jako výstupní stupeň lze samotný napájecí zdroj rychle zapínat a vypínat, aby se regulovalo napětí, což dále zvyšuje účinnost a schopnost snižovat hmotnost vzhledem k tradičním analogovým / lineárním napájecím zdrojům.

Dohromady mohou i výkonné zesilovače třídy D vážit jen několik kilogramů. Nevýhodou napájecích zdrojů SMPS ve srovnání s tradičními lineárními zdroji je, že první z nich obvykle nemá velkou dynamickou zásobu.

Testy a četné testování zesilovačů zvukové frekvence třídy D s lineárními napájecími zdroji ve srovnání s moduly SMPS ukázaly, že tomu tak skutečně je. Když dva zesilovače zpracovávaly jmenovitý výkon, ale jeden s lineárním napájením mohl produkovat vyšší dynamické úrovně výkonu. Design SMPS je však stále běžnější a v obchodech lze očekávat, že budou vidět lepší bloky třídy D nové generace využívající podobné tvary.

Porovnání účinnosti tříd AB A D

Zatímco účinnost zesilovače výkonu zvukové frekvence na tranzistorech třídy A / B se zvyšuje, když se blíží maximálnímu výkonu, konstrukce třídy D udržují vysoký faktor účinnosti ve většině provozních rozsahů. Výsledkem je, že účinnost a kvalita zvuku se stále více naklání ve prospěch posledního bloku.

Použití jednoho převodníku

Při správné implementaci může kterýkoli z výše uvedených bloků mimo třídu B tvořit základ zesilovače s vysokou přesností. Kromě potenciálních výkonnostních chyb (které jsou primárně důsledkem konstrukčních rozhodnutí, nikoli inherentních ve třídě) je výběr typu bloku do značné míry otázkou nákladů versus efektivity.

Na dnešním trhu dominuje jednoduchý zesilovač zvukové frekvence třídy A / B, a to je pádné důvody. Funguje velmi dobře, je relativně levný a jeho účinnost je přiměřená pro aplikace s nízkou spotřebou energie (>200 W). Samozřejmě, protože se výrobci převodníků snaží rozšířit hranice dodávek, například pomocí 1 000 W monobloku Emotiva XPR - 1, obracejí se na návrhy třídy G / H A D, aby se vyhnuli dvojímu použití jejich zesilovačů jako systémů schopných rychle zahřát zařízení. Mezitím na druhé straně trhu existují fanoušci třídy a, kteří mohou odpustit nedostatek účinnosti zařízení v naději na čistší zvuk.

Výsledek

Koneckonců, třídy převodníků nemusí být nutně tak důležité. Samozřejmě existují relevantní rozdíly, zejména pokud jde o náklady, účinnost zesilovače a tím i hmotnost. Technika třídy A s výkonem 500 W je samozřejmě špatný nápad, pokud samozřejmě uživatel nemá výkonný chladicí systém. Na druhé straně rozdíly mezi třídami nedefinují kvalitu zvuku. Nakonec jde o vývoj a realizaci vlastních projektů. Je důležité pochopit, že převodníky jsou pouze jedním zařízením, které je součástí zvukového systému.