Audio frekvenčný zosilňovač: typy, triedy a kategorizácia

An zosilňovač zvukovej frekvencie je všeobecný pojem používaný na opis obvodu, ktorý produkuje a zväčšuje verziu svojho vstupného signálu. Nie všetky technológie prevodníkov sú však rovnaké, pretože sú klasifikované podľa ich konfigurácií a prevádzkových režimov.

V elektronike sa zvyčajne používajú malé zosilňovače, pretože sú schopné zvýšiť relatívne malý vstupný signál, napríklad zo snímača, ako je prehrávač, na oveľa väčší výstup na ovládanie relé, žiarovky alebo reproduktora atď. n.

Existuje mnoho foriem elektronických obvodov klasifikovaných ako zosilňovače, od prevádzkových a malých signálnych senzorov až po veľké impulzné a výkonové meniče. Klasifikácia zariadenia závisí od veľkosti signálu, veľkého alebo malého, jeho fyzickej konfigurácie a spôsobu spracovania vstupného prúdu, to znamená od vzťahu medzi vstupnou úrovňou a prúdom prúdiacim v záťaži.

Anatómia zariadenia

Zosilňovače zvukových frekvencií možno považovať za jednoduchú skrinku alebo blok obsahujúci zariadenie, ako je bipolárny tranzistor s efektom poľa alebo prevádzkový senzor, ktorý má dva vstupné a dva výstupné svorky (uzemnenie je bežné). Okrem toho výstup signál je oveľa väčší vďaka jeho konverzii na zariadení.

Ideálny zosilňovač signálu bude mať tri hlavné vlastnosti:

1. Vstupná impedancia alebo (R IN).
2. Výstupná impedancia alebo (R OUT).
3. Zisk alebo (A).

Bez ohľadu na to, aký zložitý je obvod zosilňovača, na preukázanie vzťahu týchto troch vlastností možno použiť všeobecný blokový model.

Všeobecné pojmy

Vysoko kvalitné audio frekvenčné zosilňovače sa môžu líšiť svojimi vlastnosťami. Každý typ má digitálnu alebo analógovú konverziu. Na ich oddelenie sa vytvárajú označenia kódov.

Zvýšený rozdiel medzi vstupným a výstupným signálom sa nazýva konverzia. Zisk je miera toho, koľko zosilňovač" prevádza " vstupný signál. Napríklad, , ak existuje vstupná úroveň 1 volt a výstupná úroveň 50 voltov, potom bude konverzia 50. Inými slovami, vstupný signál bol vyvinutý 50-krát. Audio frekvenčný zosilňovač práve vykonáva túto úlohu.

Výpočet konverzie je jednoducho pomer výstupu vydelený vstupom. Tento systém nemá ako svoj pomer jednotky merania, ale v elektronike sa na zosilnenie zvyčajne používa symbol a. Potom sa konverzia jednoducho vypočíta ako "výstup delený vstupným signálom".

Výkonové meniče

Malá signálna Lupa sa bežne označuje ako" napäťový " zosilňovač, pretože zvyčajne prevádza malý vstup na oveľa väčšie výstupné napätie. Niekedy je potrebný obvod zariadenia na ovládanie motora alebo napájania reproduktora a pre aplikácie tohto typu, kde sú zapojené vysoké spínacie prúdy, sú potrebné výkonové meniče.

Ako už názov napovedá, hlavnou úlohou výkonového zosilňovača (tiež známeho ako veľký zosilňovač signálu) je napájanie záťaže. Toto je súčin napätia a prúdu aplikovaného na záťaž s výstupným výkonom presahujúcim úroveň vstupného signálu. Inými slovami, prevodník zvyšuje výkon reproduktora, takže blokové obvody tohto typu sa používajú na externých kaskádach zvukových prevodníkov na ovládanie reproduktorov.

Princíp činnosti

Zosilňovač audio frekvencie pracuje na princípe premeny jednosmerného prúdu spotrebovaného zo zdroja energie na signál striedavého napätia dodávaný do záťaže. Aj keď je konverzia vysoká, jej účinnosť z jednosmerného napájania na výstupný signál striedavého napätia je zvyčajne nízka.

Ideálny blok dáva zariadeniu účinnosť 100%, alebo sa aspoň výkon bude rovnať výkonu.

Triedna divízia

Ak sa používatelia aspoň raz pozreli na špecifikáciu výkonových zosilňovačov zvukovej frekvencie, mohli si všimnúť triedy zariadení, zvyčajne označené písmenom alebo dvoma. Najčastejšie otázky Typy blokov, ktoré sa dnes používajú v spotrebiteľskom domácom zvuku, sú hodnoty A, A / B, D, G A H.

Tieto triedy nie sú jednoduché klasifikačné systémy, ale popisy topológie zosilňovača, to znamená, ako fungujú na základnej úrovni. Zatiaľ čo každý typ zosilňovača má svoj vlastný súbor silných a slabých stránok, ich výkon (a spôsob hodnotenia konečných charakteristík) zostáva nezmenený.

Spočíva v konverzii tvaru vlny odoslanej predbežnou jednotkou bez zavedenia rušenia alebo aspoň čo najmenšieho skreslenia.

Trieda A

V porovnaní s inými triedami výkonových zosilňovačov zvukových frekvencií, ktoré budú opísané nižšie, sú modely triedy a relatívne jednoduché zariadenia. Definovanie princíp činnosti je to tak, že všetky výstupné bloky prevodníkov musia prejsť úplným 360-stupňovým signálnym cyklom.

Trieda A môže byť tiež rozdelená na jednostranné a. push / pull push-pull zosilňovače sa líšia od vyššie uvedeného hlavného vysvetlenia použitím výstupných zariadení v pároch. Zatiaľ čo obe zariadenia vedú celý 360-stupňový cyklus, jedno zariadenie unesie väčšinu záťaže počas pozitívnej časti cyklu a druhé bude niesť viac negatívneho cyklu.

Hlavnou výhodou tejto schémy je znížené skreslenie v porovnaní s jednostrannými návrhmi, pretože sú vylúčené aj výkyvy objednávok. Navyše, , Push-pull vzory triedy a sú menej citlivé na hluk.

Vzhľadom na pozitívne vlastnosti spojené s prácou triedy A sa považuje za zlatý štandard kvality zvuku v mnohých oblastiach výroby akustiky. Tieto návrhy však majú jednu dôležitú nevýhodu-účinnosť.

Požiadavka na zosilňovače zvukových frekvencií na tranzistoroch triedy a, aby všetky výstupné zariadenia pracovali nepretržite. Táto činnosť vedie k významným stratám energie, ktorá sa nakoniec premení na teplo. To je ďalej umocnené skutočnosťou, že konštrukcie triedy a vyžadujú relatívne vysoké úrovne pokojového prúdu, čo je množstvo prúdu pretekajúceho výstupnými zariadeniami, keď zosilňovač vydáva nulový výstup. Ukazovatele výkonnosti v reálnom svete, môže byť asi 15-35%, zatiaľ čo je možné použiť jednociferné pomocou vysoko dynamického zdrojového materiálu.

Trieda B

Zatiaľ čo všetky výstupné mechanizmy v audio frekvenčnom zosilňovači na tranzistoroch triedy A vezmite 100% času počas prevádzky, bloky triedy B používajú obvod push-pull takým spôsobom, že iba polovica výstupných zariadení vedie prúd kedykoľvek.

Jedna polovica pokrýva +180-stupňovú časť tvaru vlny, zatiaľ čo druhá pokrýva-180-stupňovú časť. Výsledkom je, že zosilňovače triedy B sú výrazne efektívnejšie ako ich náprotivky triedy A, s teoretickým maximom 78,5%. Vzhľadom na relatívne vysokú účinnosť sa Trieda B používa v niektorých profesionálnych prevodníkoch zosilnenia zvuku, ako aj v niektorých domácich elektrónkových zosilňovačoch. Napriek ich zjavnej sile sú šance na kúpu bloku triedy B pre dom takmer nulové. Štúdia zosilňovača zvukovej frekvencie odhalila dôvod tohto, známeho ako skreslenie kríženia.

Problém s oneskorením pri odovzdávaní medzi zariadeniami spracovanie pozitívne a negatívne časti tvaru vlny sa považujú za významné. Je samozrejmé, že takéto skreslenie je počuť v dostatočnom množstve, a hoci niektoré dizajny triedy B boli v tomto ohľade lepšie ako iné, trieda B nezískala veľké uznanie od fanúšikov čistého zvuku.

Trieda A / B

Elektrónkový zosilňovač zvukových frekvencií nájdete na mnohých koncertných miestach. Vyznačuje sa vysokým výkonom a zároveň sa neprehrieva. Okrem toho sú modely oveľa lacnejšie ako mnohé digitálne jednotky. Existujú však aj odchýlky. Takýto modul nemusí fungovať so všetkými zvukovými formátmi. Preto je lepšie používať zariadenie ako súčasť všeobecného komplexu spracovania signálu.

Trieda A / B kombinuje to najlepšie z každého typu zariadenia a vytvára jednotku bez nevýhod oboch. Vďaka tejto kombinácii výhod zosilňovače triedy A/B do značnej miery dominujú spotrebiteľskému trhu.

Riešenie je v skutočnosti celkom jednoduché. Tam, kde trieda B používa zariadenie push-pull, pričom každá polovica výstupného stupňa vedie o 180 stupňov, mechanizmy triedy A/B ju zvyšujú na ~181-200 stupňov. Existuje teda oveľa menšia šanca, že v slučke dôjde k" zlomeniu", a preto sa skreslenie kríženia zníži do bodu, keď na tom nezáleží.

Elektrónkové audio výkonové zosilňovače dokážu tieto interferencie absorbovať oveľa rýchlejšie. Vďaka tejto vlastnosti zvuk pochádza zo zariadenia oveľa čistejšie. Modely podobných charakteristík sa často používajú na transformáciu zvuku akustických a elektrických gitár.

Stačí povedať, že trieda A / B plní svoje sľuby a ľahko prekonáva účinnosť čistých konštrukcií triedy A s ukazovateľmi rádovo ~ 50-70% dosiahnutými v reálnom svete. Skutočné úrovne samozrejme závisia od toho, ako je zosilňovač zaujatý, ako aj od programového materiálu a ďalších faktorov. Za zmienku tiež stojí, že niektoré vývojové trendy triedy A / B robia ďalší krok vpred v snahe eliminovať skreslenie kríženia tým, že pracujú v čistom režime triedy A až do výkonu niekoľkých wattov. To poskytuje určitú účinnosť pri prevádzke na nízkych úrovniach, ale zároveň zaisťuje, že zosilňovač sa pri dodávaní veľkého množstva energie nezmení na pec.

Triedy G A H

Ďalší pár dizajnov určených na zvýšenie účinnosti. Z technického hľadiska nie sú zosilňovače triedy G ani triedy H oficiálne uznané. Namiesto toho sú to variácie na tému triedy A/B pomocou prepínania napätia zbernice a modulácie zbernice. V každom prípade v podmienkach nízkeho dopytu systém používa nižšie napätie zbernice ako podobný zosilňovač triedy A / B, čo výrazne znižuje spotrebu energie. Keď nastanú podmienky vysokého výkonu, systém dynamicky zvyšuje napätie zbernice (T. J. prepne na vysokonapäťovú zbernicu), aby zvládol prechody s veľkou amplitúdou.

Existujú aj nevýhody. Hlavnou je vysoká cena. Pôvodné schémy prepínania siete používali na riadenie výstupných tokov bipolárne tranzistory, čo zvyšuje zložitosť a náklady. Vysoko kvalitné zosilňovače zvuku tohto typu sú bežné, aj keď cena začína od 50 tisíc rubľov. Blok sa považuje za profesionálnu techniku pre prácu na pódiu alebo pri nahrávaní zvuku v štúdiu. Existujú problémy s tranzistormi. Pri dlhšom zaťažení môžu niektoré z nich zlyhať.

Dnes sa cena často do určitej miery znižuje pri použití vysokoprúdových MOSFETov na výber alebo zmenu sprievodcov. Použitie MOSFETov s efektom poľa nielen zvyšuje účinnosť a znižuje zahrievanie, ale vyžaduje aj menej častí (zvyčajne jedno zariadenie na vlákno). Okrem nákladov na prepínanie zbernice, samotnej modulácie, je tiež potrebné poznamenať, že niektoré zosilňovače triedy G používajú viac výstupných zariadení ako typický dizajn triedy A / B.

Jeden pár zariadení bude pracovať v typickom režime A / B, napájaný nízkonapäťovými prípojnicami. Medzitým je druhý v rezerve, aby fungoval ako napäťový zosilňovač, aktivovaný iba v závislosti od situácie. Iba triedy G A H spojené s výkonnými zosilňovačmi vydržia vysoké zaťaženie, kde sa ospravedlňuje zvýšená účinnosť. Kompaktné konštrukcie môžu tiež používať topológie triedy G / H na rozdiel od A/B, pretože schopnosť prepnúť do režimu nízkej spotreby znamená, že si vystačia s o niečo menším radiátorom.

Trieda D

Tento typ zariadenia umožňuje vytvoriť si vlastné modulárne systémy. Pomocou zariadenia sa uskutočňuje vysoko kvalitné spracovanie celého výstupného toku. Navrhovanie výkonových zosilňovačov zvukových frekvencií vám umožňuje vytvoriť si vlastný multimediálny systém pre prácu alebo zábavu. Existujú tu však nuansy. Prevodníky triedy D, ktoré sa často mylne označujú ako digitálne zosilnenie, predstavujú záruku účinnosti jednotky a súčasne sa v reálnych testoch dosahujú koeficienty presahujúce 90. %.

Po prvé, stojí za to vyriešiť otázku, prečo patrí do triedy D, ak je" digitálne zosilnenie " nesprávne. Bolo to len ďalšie písmeno v abecede, pričom trieda C sa používala v audio systémoch. Ešte dôležitejšie je, ako možno dosiahnuť 90%+ účinnosť. Zatiaľ čo všetky vyššie uvedené triedy zosilňovačov majú jedno alebo viac výstupných zariadení, ktoré sú neustále aktívne, aj keď je prevodník skutočne v pohotovostnom režime, jednotky triedy D ich rýchlo prepnú do stavu" vypnuté "a" zapnuté. To je celkom pohodlné a umožňuje používať modul iba v správnych okamihoch.

Napríklad výpočet zosilňovačov zvukových frekvencií triedy T, ktoré sú implementáciou triedy D vyvinutej spoločnosťou Tripath, na rozdiel od základného zariadenia používa spínacie frekvencie rádovo 50 MHz. Výstupné zariadenia sú zvyčajne riadené moduláciou šírky impulzu. To je, keď štvorcové vlny rôznych šírok sú generované modulátorom, ktorý predstavuje analógový signál na prehrávanie. Pri prísnej kontrole výstupných zariadení týmto spôsobom je teoreticky možná účinnosť 100% (aj keď je to samozrejme v reálnom svete nedosiahnuteľné).

Ponorte sa do sveta zosilňovačov zvuku triedy D, môžete tiež nájsť zmienku o analógových a digitálnych riadených moduloch. Tieto riadiace jednotky majú Analógový vstupný signál a analógový riadiaci systém, zvyčajne s určitým stupňom korekcie chýb spätnej väzby. Na druhej strane digitálne konvertované zosilňovače triedy D používajú digitálne ovládanie, ktoré prepína výkonový stupeň bez kontroly chýb. Toto riešenie tiež nájde súhlas, podľa recenzií mnohých kupujúcich. Cenový segment je tu však oveľa vyšší.

Štúdia zosilňovača zvukových frekvencií ukázala, že analógovo riadená trieda D má výkonovú výhodu oproti digitálnemu analógu, pretože zvyčajne ponúka nižšiu výstupnú impedanciu (odpor) a vylepšený profil skreslenia. To zvyšuje počiatočné hodnoty systému pri jeho maximálnom zaťažení.

Parametre zosilňovačov audio frekvencie sú oveľa vyššie ako parametre základných modelov. Malo by byť zrejmé, že takéto výpočty sú potrebné iba na vytvorenie hudby v štúdiu. Bežní kupujúci môžu tieto vlastnosti preskočiť.

Toto je zvyčajne L-obvod (induktor a kondenzátor) umiestnený medzi zosilňovačom a reproduktormi na zníženie šumu spojeného s prevádzkou triedy D. Filter má veľký význam. Zlý dizajn môže ohroziť účinnosť, spoľahlivosť a kvalitu zvuku. Okrem toho spätná väzba po výstupnom filtri má svoje výhody. Aj keď konštrukcie, ktoré v tejto fáze nepoužívajú spätnú väzbu, môžu upraviť svoju odozvu na určitú impedanciu, keď majú takéto zosilňovače zložité zaťaženie (to znamená reproduktor, nie odpor), frekvenčná odozva sa môže výrazne líšiť v závislosti od zaťaženia reproduktora. Spätná väzba stabilizuje tento problém a poskytuje hladkú reakciu na zložité zaťaženie.

Zložitosť elektrických audio frekvenčných zosilňovačov triedy D má v konečnom dôsledku svoje výhody. Účinnosť a v dôsledku toho nižšia hmotnosť. Pretože na teplo sa vynakladá relatívne málo energie, je potrebných oveľa menej energie. Mnoho zosilňovačov triedy D sa teda používa v kombinácii so spínanými zdrojmi napájania (SMP). Rovnako ako výstupný stupeň, aj samotný napájací zdroj je možné rýchlo zapnúť a vypnúť, aby sa regulovalo napätie, čo vedie k ďalšiemu zlepšeniu účinnosti a schopnosti znížiť hmotnosť v porovnaní s tradičnými analógovými/lineárnymi napájacími zdrojmi.

Spoločne môžu aj výkonné zosilňovače triedy D vážiť iba niekoľko kilogramov. Nevýhodou napájacích zdrojov SMPS v porovnaní s tradičnými lineárnymi zdrojmi je, že prvé zvyčajne nemajú veľkú dynamickú rezervu.

Testy a početné testy zvukových zosilňovačov triedy D s lineárnymi zdrojmi napájania v porovnaní s modulmi SMPS ukázali, že je to skutočne tak. Keď dva zosilňovače ovládali Menovitý výkon, ale jeden s lineárnym napájaním mohol produkovať vyššie dynamické úrovne výkonu. Dizajn SMPS je však čoraz bežnejší a v obchodoch môžete očakávať kvalitnejšie jednotky triedy D novej generácie s podobnými tvarmi.

Porovnanie účinnosti tried AB A D

Aj keď sa účinnosť zosilňovača audio frekvencie na tranzistoroch triedy A / B zvyšuje, keď sa blíži k maximálnemu výstupnému výkonu, konštrukcie triedy D si zachovávajú vysokú účinnosť vo väčšine prevádzkových rozsahov. Výsledkom je, že účinnosť a kvalita zvuku sú čoraz viac naklonené v prospech posledného bloku.

Použitie jedného prevodníka

Pri správnej implementácii môže ktorýkoľvek z vyššie uvedených blokov mimo triedy B tvoriť základ vysoko presného zosilňovača. Okrem potenciálnych výkonnostných chýb (ktoré sú primárne dôsledkom konštrukčných rozhodnutí, a nie sú vlastné triede), je výber typu bloku do značnej miery otázkou nákladov a efektívnosti.

Na dnešnom trhu dominuje jednoduchý audio frekvenčný zosilňovač triedy A / B, a to je dobrý dôvod. Funguje veľmi dobre, je relatívne lacný a jeho účinnosť je celkom primeraná pre aplikácie s nízkou spotrebou energie (>200 wattov). Samozrejme, pretože výrobcovia prevodníkov sa snažia rozšíriť hranice dodávok, napríklad pomocou monobloku Emotiva XPR-1 s výkonom 1 000 wattov, obracajú sa na konštrukcie triedy G/H A D, aby sa vyhli dvojitému použitiu ich zosilňovačov ako systémov schopných rýchlo vykurovacích zariadení. Medzitým sú na druhej strane trhu fanúšikovia triedy a, ktorí môžu odpustiť nedostatočnú účinnosť zariadenia v nádeji na čistejší zvuk.

Výsledok

Koniec koncov, triedy prevodníkov nie sú nevyhnutne také dôležité. Samozrejme, existujú skutočné rozdiely, najmä pokiaľ ide o náklady, účinnosť zosilňovača a následne aj hmotnosť. Samozrejme, zariadenie Triedy A s výkonom 500 wattov je zlý nápad, pokiaľ samozrejme používateľ nemá výkonný chladiaci systém. Na druhej strane rozdiely medzi triedami neurčujú kvalitu zvuku. Nakoniec ide o vývoj a implementáciu vašich vlastných projektov. Je dôležité pochopiť, že prevodníky sú iba jedným zariadením, ktoré je súčasťou audio systému.