Ключевые параметры усилителей мощности звуковой частоты

Немного истории

Еще в XIX веке появилась необходимость в устройствах, способных значительно увеличивать мощность электрических сигналов, связанная с изобретением телеграфа и радио.

В начале 20-го века был изобретен способ преобразования акустического сигнала в электрический, который основывался на способности угольного порошка менять свое электрическое сопротивление под воздействием вибраций. В 1903 году специалисты телефонной компании Bell построили первый телефон, а в 1911 году заработала первая телефонная линия между Нью-Йорком и Чикаго.

Скоро стало понятно, что для передачи информации на большие расстояния электрическим сигналам нужна большая мощность.

Усилитель мощности звука — устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов звукового диапазона частот. Эра усилителей мощности началась уже в 1912 году, когда корпорация Western Electric выпустила первый телефонный усилитель. Это стало возможным благодаря Ли Ди Форесту. В 1906 году он экспериментировал с вакуумным диодом и в результате, с помощью промежуточного электрода, получил способ управлять током, протекающим в лампе.

Ламповые усилители в первой половине XX века получили стремительное развитие. Именно в это время благодаря ламповым усилителям на «большую сцену» вышли электрогитары, появилось много новых музыкальных направлений. Так начался «роман лампы и музыки».

В декабре 1947 года в Лабораториях Белла «родился» транзистор — небольшой твердотельный полупроводниковый элемент. Аналогично ламповому триоду транзистор имел возможность управлять величиной протекающего тока коллектора с помощью небольшого по величине базового тока. Иными словами, транзистор мог использоваться для усиления электрических сигналов.

Точечно-контактный транзистор Бардина и Браттейна представлял собой хрупкое устройство, состоящее из двух близкорасположенных металлических контактов, прижатых к кристаллу германия. Первые транзисторы были крайне несовершенны — имели высокий уровень шума, значительный разброс параметров и низкую надежность. «В первое время работа транзистора была способна измениться, если кто-то хлопнул дверью», — писал руководитель команды разработчиков Джек Мортон в статье журнала «Fortune» за 1953 год.

В отличие от ламп, развитие которых довольно быстро остановилось, транзисторы стремительно совершенствовались. В 1954 году Моррис Таненбаум создал первый кремниевый транзистор, а в 1955 году — кремниевый транзистор с диффузионной базой толщиной в 1 микрон, работающий на частотах свыше 100 МГц. Уже в 1961 году корпорация Fairchild Semiconductor под руководством Роберта Нойса (будущего основателя компании Intel) адаптировала эти кремниевые технологии для создания первых коммерческих интегральных схем.

Современные полупроводниковые элементы также выполнены на основе кремния, обладают отличными характеристиками, незначительно уступающими ламповым триодам. А по эксплуатационным данным — габаритным размерам, массе, надежности и сроку службы — значительно их превосходят.

Транзисторы или лампы?

За всю историю создания усилителей мощности звуковой частоты разработано огромное количество схемотехнических решений.

Как показывает практика, транзисторные усилители при их правильном использовании по объективным техническим характеристикам значительно превосходят ламповые. Тем не менее, многие специалисты отдают предпочтение ламповым усилителям, несмотря на их заоблачную стоимость.

Принято считать, что ламповый усилитель имеет более правильное звучание, характеризуемое терминами «прозрачность», «четкость», «детальность» и т.д. Строго говоря, такое мнение не совсем субъективно.

Чтобы предугадать разницу в звучании ламповых и транзисторных усилителей необходимо рассмотреть на физическом уровне различия между транзисторами и лампами.

Биполярный транзистор отличается от лампы термочувствительностью основных параметров, большей нелинейностью входных и выходных характеристик. Кроме этого, лампа превосходит транзистор удобством согласования своего внутреннего сопротивления с сопротивлением громкоговорителя. Полевой транзистор занимает среднее положение между биполярным транзистором и лампой-триодом.

На первый взгляд, в качестве усилительных элементов, предпочтительнее использовать лампы. Несмотря на кажущуюся очевидность, такое решение не является взвешенным.

На помощь транзисторам приходит схемотехническая хитрость — «отрицательная обратная связь» (ООС). Практически все усилители мощности охвачены местными и общими обратными связями. Они линеаризуют усилитель, уменьшают его выходное сопротивление, расширяют диапазон частот, делают его работу стабильной и независимой от колебаний температуры кристаллов. В итоге, транзисторные усилители обладают великолепными техническими характеристиками. Кроме того, применение биполярных и полевых транзисторов обеспечивает более высокий КПД, массогабаритные показатели и, что немало важно, существенно меньшую стоимость.

Однако не стоит забывать, что в каждом явлении имеются как положительные, так и отрицательные стороны. Интермодуляционные искажения в выходном сигнале, его размывание по времени и разрушение «фазовой картины» — плата за использование отрицательной обратной связи. Присутствие в музыкальном сигнале даже небольших по величине продуктов интермодуляции высших порядков вызывает у слушателя ощущение «металличности», «жесткости». Чаще всего такое звучание характеризуют как ненатуральное. Обилие реактивностей в усилительных каскадах приводит к «многопутевому» распространению сигнала и фазовой деструктуризации.

Размывание сигнала вызвано тем, что через цепь обратной связи он многократно возвращается на вход усилительного каскада. В результате, на выходе, помимо самого сигнала, появляется множество откликов задержанных по времени и смещенных по фазе. Время размывания сигнала для общей обратной связи может достигать 100мс и более. В итоге, наиболее заметным последствием действия на звук общей ООС является ухудшение динамики и ослабление энергичности музыкального звучания.

Необходимо отметить, что в транзисторном усилителе без ООС не обойтись, так как для того чтобы обеспечить даже скромные значения нелинейных искажений и приемлемое выходное сопротивление, усилитель на транзисторах должен иметь, как минимум, глубокие местные ООС. Местные ООС лучше чем общие ведут себя на звуке, и обеспечивают меньшие по величине задержки и более короткий период размывания сигнала. Применение качественных «звуковых» транзисторов позволяет отказаться от общей ООС и получить от усилителя «четкость», «прозрачность», «динамичность» и «энергичность» воспроизведения.

Ламповые усилители мощности с ООС, по изложенным выше причинам, практически не используются. Тем не менее, и в них есть элемент, ухудшающий качество звучания — выходной трансформатор, который предназначен для согласования выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки. Но вред от ООС оказывается большим, чем от применения выходного трансформатора.

Причина «натурального» звучания лампового усилителя заключается в его «гениальной» простоте. При этом его стоимость может достигать нескольких сотен тысяч долларов. В силу высокой стоимости, низкого КПД и низкой выходной мощности ламповые усилители звуковой частоты сегодня интересны только истинным ценителям музыки и занимают почетное место только среди прочего Hi-End оборудования в звуковых студиях. А транзисторные усилители широко используются, поскольку имеют высокую надежность, большую выходную мощность и удобство в эксплуатации.

В настоящее время ведущими производителями усилителей мощности звуковой частоты по праву считаются Arcam, AMC, BOW Technologies, Cary, Denon, Inter-M, Marshall, Marantz, Onkyo, Perreaux, Pioneer, Sony, Yamaha и др.

Характеристики усилителей

Антуан де Сент-Экзюпери в своем знаменитом произведении «Маленький принц» метко подметил одну интересную человеческую особенность: «Взрослые очень любят цифры. Когда рассказываешь им, что у тебя появился новый друг, они никогда не спросят о самом главном. Никогда они не скажут: «А какой у него голос? В какие игры он любит играть? Ловит ли он бабочек?» Они спрашивают: «Сколько ему лет? Сколько у него братьев? Сколько он весит? Сколько зарабатывает его отец?» И после этого воображают, что узнали человека. Когда говоришь взрослым: «Я видел красивый дом из розового кирпича, в окнах у него герань, а на крыше голуби» — они никак не могут представить себе этот дом. Им надо сказать: «Я видел дом за сто тысяч франков». И тогда они восклицают: «Какая красота!»

При выборе усилителя мощности покупатели часто допускают похожую ошибку, полагая, что указанные в паспорте технические характеристики позволят им понять, какого звука стоит ожидать от приобретаемого усилителя. Дело в том, что основные параметры не отражают «характер» усилителя, хотя бы потому, что они измерены в рафинированных лабораторных условиях и вообще могут быть недостоверными. Равные по техническим характеристикам усилители могут звучать по-разному. А бывает, что усилитель с худшими характеристиками звучит гораздо лучше. Можно сделать предположение, что эти явления в основном связаны с субъективным восприятием звукового поля разными людьми. Однако правильнее предположить, что если при одинаковых «цифрах» имеются различия, это означает, что что-то измерить попросту забыли. В итоге получается, что оценивать усилитель по основным характеристикам — все равно, что оценивать человека лишь по его физическим параметрам. Поэтому, необходимо внести незначительную, на первый взгляд, поправку в вышеизложенное утверждение — «в паспорте на любой усилитель мощности присутствует множество характеристик, которые позволяют нам понять, какого „звука“ от него точно ожидать не стоит»...

К основным характеристикам усилителя мощности звуковой частоты относятся:

• Выходная мощность
• Частотный диапазон;
• Коэффициент гармонических искажений
• Отношение сигнал/шум;
• Демпинг-фактор (или коэффициент демпфирования).

Дополнительно могут указываться:

• Коэффициент интермодуляционных искажений;
• Скорость нарастания выходного напряжения;
• Перекрестные помехи.

Разумеется, в паспорте присутствуют и немаловажные эксплуатационные характеристики:

• Напряжение питания;
• Максимальная потребляемая мощность;
• Масса;
• Габаритные размеры.

Выходная мощность

Данный параметр имеет множество разновидностей и методик измерения, и некоторые производители используют это в рекламных целях, намеренно не указывая условия, при которых выходная мощность была измерена. Именно поэтому покупатель недоумевает, сравнивая в магазине крохотный музыкальный центр с наклейкой 2×1000W и увесистый усилитель мощности внушительных размеров с характеристикой 30 Вт на канал.

Для отечественных усилителей в основном использовались такие характеристики, как номинальная и максимальная выходная мощность:

Номинальная мощность — выходная мощность усилителя при заданном коэффициенте нелинейных искажений.

Такая методика измерения предоставляет определенную свободу выбора изготовителю, который волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. А ведь широко известно, что в усилителях класса АВ при малых уровнях выходной мощности, например 1Вт, уровень искажений может достигать огромных значений. Существенно уменьшаться он может только при увеличении выходной мощности до номинальной. В паспортах отечественными производителями указывались рекордные номинальные характеристики, с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя. Тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5-15% от максимального значения. Вероятно, поэтому советские усилители заметно проигрывали на слух западным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости. В СССР же шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.

Максимальная мощность — выходная мощность усилителя при ненормированном коэффициенте нелинейных искажений.

Данный параметр является еще менее информативным, чем номинальная мощность и характеризует только запас прочности усилителя — способность работать длительное время при перегрузках по входу.

Среди зарубежных чаще всего используются характеристики RMS, PMPO и DIN POWER:

RMS (Root Mean Squared) — среднеквадратичное значение мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Как правило, измерение проводится на 1 кГц при достижении коэффициента нелинейных искажений 10%.

Этот показатель был заимствован из электротехники и, строго говоря, для описания звуковых характеристик непригоден. В музыкальных сигналах громкие звуки человек слышит лучше, чем слабые, поскольку на органы слуха воздействуют амплитудные значения, а не среднеквадратичные. Таким образом, усредненное значение будет мало о чем говорить.

Стандарт RMS был одной из неудачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры и имеет весьма ограниченное применение — усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности нужно еще поискать. До достижения максимальной мощности, искажения не превышают зачастую сотых долей процента, а потом резко возрастают.

PMPO (Peak Music Power Output) — максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS).

Как следует из описания, параметр PMPO — виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях на усилители, вводя в заблуждение многочисленных покупателей. В связи с этим можно лишь посетовать на отсутствие единых обязательных стандартов измерения выходной мощности и на недобросовестность производителей. 100 Вт PMPO зачастую соответствуют лишь 3 Вт номинальной мощности при 1% КНИ.

DIN POWER — значение выдаваемой на реальной нагрузке мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Измерения проводятся в течении 10 минут с помощью сигнала частотой 1 кГц при достижении 1 % КНИ.

Данный параметр наиболее адекватно характеризует выходную мощность усилителя. Иногда он встречается в паспорте усилителя под обозначением IEJA. Его разновидность IHF определяет выходную мощность при 0,1% КНИ.

Строго говоря, есть и многие другие виды измерений, например, DIN MUSIC POWER, описывающая мощность не синусоидального, а музыкального сигнала. В последнее время из-за отсутствия единого стандарта производители стараются указывать выходную мощность вкупе с другими характеристиками, при которых она измерена. Например,

650 W (8 Ω, 20 — 20000 Hz, 0,1% THD)

750 W (8 Ω, 1000 Hz, 0,1% THD)

Учитывая тот факт, что музыкальный сигнал имеет большой частотный и динамический диапазон, правильнее проводить измерения с помощью музыкальных сигналов. И указывать не номинальную мощность, а график зависимости коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности.

Можно добавить, что каждый усилитель рассчитан на определенное сопротивление нагрузки. Тем не менее, оно может варьироваться, и в технических паспортах указываются основные параметры для каждого допустимого сопротивления.

В настоящее время выпускаются усилители номинальной мощностью от единиц до нескольких тысяч ватт. Достойными представителями мощных усилителей являются модели Inter-M V-3000, Q-3300 (2×1650 Вт при нагрузке 2 Ом на канала) и V-4000, Q-4300 (2×2100 Вт при нагрузке 2 Ом на канал). Несмотря на высокую выходную мощность, их габариты соответствуют стандартному 19″ оборудованию, высота составляет лишь 88 мм, а масса менее 12 кг.

Частотный диапазон

Практически любой современный усилитель мощности звуковой частоты способен усиливать сигналы с частотой, выходящей далеко за рамки слышимого диапазона. Поэтому указывать в чистом виде частотный диапазон, например, от 5 до 100 кГц — совершенно бессмысленно.

Назначение усилителя мощности звуковой частоты (если он не имеет специального назначения, как, например, гитарный усилитель) — формирование на выходе электрического сигнала, по форме в точности повторяющего входной сигнал, но имеющего большую мощность. Так как музыкальный сигнал, даже если он формируется одним музыкальным инструментом, далек от гармонического, то минимизации коэффициента нелинейных искажений в усилителях для качественного воспроизведения звука, недостаточно. Необходимо, чтобы в диапазоне слышимых частот от 16 до 20000 Гц амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя были абсолютно горизонтальными. На практике, этого добиться не удается, да и акустическая система имеет АЧХ с более существенными провалами и подъемами.

Частотный диапазон указывается при нормированной неравномерности амплитудно-частотной характеристике, выраженной в относительных величинах. Самые удачные модели усилителей имеют неравномерность АЧХ ±0,1 дБ в диапазоне от 20 до 20000 Гц. Такими великолепными техническими показателями обладают, например, усилители Live серии компании Inter-M — L-800, L-1400, L-1800, L-2400 и L-3000. Если при измерении принять стандартную неравномерность амплитудно-частотной характеристики 3 дБ, то частотный диапазон составит 10–100000 Гц.

Коэффициент гармонических искажений

Искажения сигнала вызваны нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов и присущи любым усилителям мощности. Если подать на вход усилителя синусоидальный сигнал, то в спектре выходного сигнала, кроме основной гармоники, обнаружатся дополнительные, частота которых кратна частоте полезного сигнала. Такие гармоники являются паразитными и их мощность, как правило, невелика. Однако их суммирование с полезным сигналом приводит к существенному искажению его формы, и как следствие, искаженному звучанию.

Коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion) показывает слышимую составляющую гармонических искажений в выходном сигнале и определяется как отношение суммарной мощности паразитных сигналов к мощности полезного гармонического сигнала. Как правило, измерения проводятся на частоте 1 кГц.

При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (четная/нечетная), а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.

Типовое значение THD для Hi-Fi усилителя составляет 0,1 %. Однако, уже не раз отмечалось: усилитель с THD 0,001 % может оказаться хуже по звуку, чем другой, с THD 0,1 %. Дело в том, что при таких малых значениях этого параметра, искажения сложно проследить в форме выходного сигнала или ощутить на слух. Поэтому, разницы между 0,1 % и 0,001 % слышно не будет.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум определяется как отношение мощности полезного гармонического сигнала к мощности собственных шумов усилителя мощности. Данный параметр для современной звукоусилительной техники превышает значение 100 дБ. Это означает, что мощность собственных шумов усилителя в 10 миллиардов раз меньше мощности полезного музыкального сигнала. Можно с уверенностью сказать, что в настоящее время этот параметр — лишь предмет гордости производителя. Он не имеет для пользователя никакого значения. Кто сможет ощутить различия между ОСШ 95 и 100 дБ?!

Демпинг-фактор (коэффициент демпфирования)

Коэффициент демпфирования определяется как отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя и характеризует способность подавлять паразитные напряжения, которые возникают в динамических головках при движении катушки в магнитном поле. Если демпфирование недостаточно, то диффузор будет совершать свои собственные «телодвижения», никак не связанные с музыкой, но зависящие от упругости подвески. Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве моделей акустических систем эта проблема успешно решается. Можно считать достаточным, если значение коэффициента превышает 100.

Демпфирование зависит не только от выходного сопротивления усилителя и сопротивления акустической системы. Необходимо учитывать, что способность поглощать возвращаемую громкоговорителем энергию зависит от индуктивностей фильтров и от сопротивления разъемов и кабеля, которым подключены акустические системы.

Минимальным значением коэффициента демпфирования можно считать 20, хорошим — 200–400. Современные усилители высокого класса имеют значение этого параметра 200 и выше.

Коэффициент интермодуляционных искажений

Нелинейность характеристик усилительных элементов приводит к возникновению нелинейных искажений. Большинство производителей усилителей измеряют и указывают в паспорте только коэффициент гармонических искажений (THD). Измерения проводятся с помощью гармонического сигнала. При подобном тестировании на выходе усилительного тракта появляются высшие гармоники, частота которых кратна частоте основного тона. Однако, как уже упоминалось, музыкальный сигнал далек от гармонического. Более того, любой музыкальный инструмент воспроизводит не только основной тон, но «обертона», которые являются ярким примером гармонических искажений. Известно, что наличие в музыкальном сигнале «обертонов» вовсе не портят, а обогащают звук. Поэтому очень важно указывать не коэффициент гармонических искажений, а весь спектр выходного сигнала, из которого можно определить тип (четные или нечетные) паразитных гармоник и их уровень относительно полезного сигнала. С точки зрения психоакустики, например, наличие в выходном сигнале ощутимых по уровню четных гармоник воспринимается на слух лучше, чем наличие малых нечетных.

Наибольший вред музыкальному сигналу приносят интермодуляционные искажения (Inter Modulation Distortion), которые возникают при подаче на вход нелинейной системы мультитонового сигнала. При этом на выходе появляются паразитные сигналы с частотами, являющимися суммой или разностью частот входных сигналов, а также суммой или разностью частот сигналов, вызванных гармоническими искажениями и через обратную связь возвращенных на вход усилителя. Подобные искажения не соотносятся с основными тонами музыкального сигнала и привносят в него фоновый шум.

Необходимо отметить, что единых стандартов по измерению интермодуляционных искажений не существует, а результаты измерений существенно зависят от уровней входных сигналов и их частот. Чаще всего, IMD не указывается просто потому, что неизвестно как его измерять. Тем не менее, данный параметр является наиболее перспективным для оценки нелинейных свойств усилителя мощности.

Скорость нарастания выходного сигнала

Данный параметр характеризует уровень динамических искажений, которые возникают вследствие ограничения скорости нарастания выходного сигнала в усилителе, охваченного глубокой обратной связью. Введение ООС, как правило, приводит к нестабильности усилителя на высоких частотах. Это вынуждает применять частотную коррекцию. В свою очередь недостаточно высокая частота среза образуемого фильтра низких частот и вызывает динамические искажения.

В музыкальном сигнале всегда присутствуют резкие всплески по уровню, например, при работе ударных инструментов. Недостаточная скорость нарастания сигнала приводит к ухудшению звучания, которое выражается в потере энергичности.

Перекрестные помехи

Данный параметр определяет степень проникновения сигнала из одного канала в другой. Высокий уровень перекрестных помех приводит к незначительному ухудшению четкости восприятия стереобазы. Однако чуткий слушатель сразу ощутит, что звук не дает представления о взаимном расположении и размерах музыкальных инструментов, т.е. отсутствие или нечеткость звуковой 3D картинки.

Не в последнюю очередь при выборе усилителя обращается внимание на его внешний вид и удобство в эксплуатации. В силу субъективности эти показатели не поддаются никакому измерению и выражаются в виде звездочек в многочисленных рейтингах и наклеек типа «Gold Design» на корпусе устройства. Вне сомнений, это также является характеристикой усилителя мощности.

Классификация усилителей

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

• Аналоговые, класс А
• Аналоговые, класс В
• Аналоговые, класс АВ
• Аналоговые, класс H
• Импульсные и цифровые, класс D
• Цифровые, класс T

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».

Класс А

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

Типичными представителями усилителей класса А являются транзисторный SX-25 Perreaux и ламповый Cary CAD 805, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Класс В

Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В — это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.

Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.

Класс АВ

Как следует из названия усилители класса АВ — это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.

Типичными представителями усилителей класса АВ являются транзисторные L-1400 Inter-M и P-3500S Yamaha, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Выходные каскады усилителя Prisma 350 Perreaux работают в гибридном режиме А/АВ. Такое техническое решение обеспечило номинальную мощность 350 Вт на канал при нагрузке 8 Ом, коэффициент гармонических искажений менее 0,02%, диапазон воспроизводимых частот от 20 до 25000 Гц при неравномерности АЧХ +/-0,25 дБ. Естественно, достижение таких характеристик обернулось увеличением массы до 30 кг и высоты 19″ корпуса до 176 мм, что соответствует 4-м юнитам.

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:

Класс H

Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.

Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.

Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя.

КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.

Типичными представителями усилителей класса H являются L-1800, L-2400, V-3000, V-4000, Q-3300, Q-4300 Inter-M, RX-Extra 2800, RX-Extra 3000, RX-Extra 4000 Roxton, сравнительные характеристики которых представлены в таблице:

Класс D

Строго говоря, класс D — это не только схема построения или режим работы выходного каскада — это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.

Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM — Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.

В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность («ширина») изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.

В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность — с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток — зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах.

Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.

В классе D, например, работают усилители PA-624, PCT-610/620 Inter-M. Их КПД превышает 90% при номинальной мощности 240 Вт, коэффициент гармонических искажений для усилителей такого класса минимальный — 0,1%. Данные модели применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.

Класс T

Данный класс усилителей мощности рожден в лабораториях компании Tripath Technology и отличается присущей импульсным усилителям высокой экономичностью в сочетании с высоким качеством звучания

На графиках видно, что усилители класса T по своим показателям не уступают лучшим образцам аналоговых усилителей. Уровень искажений минимален, а в спектре выходного сигнала практически отсутствуют высшие гармоники.

Существенное преимущество усилителей класса T как перед аналоговыми, так и перед традиционными цифровыми, заключается в низком уровне интермодуляционных искажений, которые меньше гармонических. Для усилителей класса AB, например, коэффициент интермодуляционных искажений значительно превосходит коэффициент гармоник; а для усилителей класса A эти величины одного порядка.

Все преимущества усилителей данного класса являются результатом применения патентованной технологии Digital Power Processing (TM). Необходимо отметить, что компания Tripath Technology прекратила свое существование в связи с последним мировым финансовым кризисом и, возможно, ранее содержащийся в тайне принцип обработки сигнала станет доступен для других компаний и найдет свое развитие в новых устройствах. По сути все сводится к двум взаимосвязанным процессам — "предсказанию«(Predictive processing) и «адаптивному преобразованию» (Adaptive Signal Conditioning Processing).

Предсказание заключается в отслеживании скорости изменения сигнала (производной) и расчете этого значения на основании амплитуды сигнала в следующий момент времени. Отчасти за счет этого динамический диапазон подобных усилителей превышает 100 дБ.

Амплитуда сигнала и скорость ее изменения служат исходными данными для реализации алгоритма «адаптивного преобразования». В усилителях класса T нет фиксированной частоты дискретизации — она непрерывно изменяется в полосе до 1,5 МГц в соответствии с этим алгоритмом. Причем, увеличение частоты дискретизации существенно улучшает качество звучания и позволяет упростить конструкцию выходного фильтра.

Относительно алгоритма обработки сигнала Digital Power Processing (TM) можно предположить, что в его основе лежит одна из разновидностей дельта — модуляции, которая отличается от широтно-импульсной тем, что в ней используется не абсолютная величина сигнала, а ее изменение относительно предыдущего состояния.

Усилители класса T получили распространение в виде встраиваемых модулей в элементы линейных массивов акустических систем. Такое решение обеспечивает очень высокую надежность работы концертного оборудования, малый вес, простоту и быстроту инсталляции. Примером является линейный массив серии DVA компании dB Technologies.

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.

В зависимости от используемых усилительных элементов, усилители мощности звуковой частоты подразделяются на:

• Ламповые;
• Транзисторные;
• Гибридные;
• Интегральные.

Содержимое ламповых и транзисторных усилителей вполне понятно из названия. Относительно гибридных тоже можно догадаться — в усилительных каскадах используется комбинация полупроводниковых элементов и ламп. Интегральные усилители (как правило, классы AB, D и T) выполняются на основе микросхем.

По количеству независимых каналов звукоусиления можно выделить:

• Моноусилители (одноканальные);
• Стереоусилители (двухканальные);
• Усилители систем объемного звука (многоканальные).
• Интегральные.

Подавляющее большинство усилителей имеют 2 канала, то есть, рассчитаны на применение в стерео-системах звуковоспроизведения. Однако многие из них имеют мостовой режим подключения к нагрузке и могут использоваться как одноканальные. Выходная мощность при этом увеличивается примерно в 2 раза.

Моноусилители используются в трансляционных системах или, например, в многоканальных системах для воспроизведения отдельных сигналов.

Многоканальная звуковая технология делает доступной реализацию собственного домашнего кинотеатра, даёт возможность построить по своему усмотрению систему объёмного высококачественного звука. Это позволяет ощутить тончайшие детали звуковой картины разных концертных залов при прослушивании аудиозаписей выполненных в многоканальном формате. Главной трудностью проектирования таких систем является сложность обеспечения одинаково точной локализации источников звука воспринимаемых слушателем во время воспроизведения по отношению к реальному расположению этих источников звука при записи. Данный эффект проявляется тем сильнее, чем дальше от центра зоны прослушивания удаляется слушатель.

Многоканальные системы используются не только для реализации звуковых эффектов и расширения стереобазы. Многие театры и концертные комплексы строились без учета современных требований к архитектурной акустике и имеют сложную многоярусную структуру, объемом более 10 куб.м на человека. Реализация стереосистемы в таких помещениях неизбежно приведет к тому, что отраженные от ярусных перекрытий, потолка и стен волны будут действовать локально, появятся участки с неравномерным распределением звукового поля. Дополнительная неприятность заключается в том, что на разных частотах эта неравномерность проявляется по-разному.

Решить подобную задачу способна только многоканальная система. Сигнал с помощью кроссоверов, входящих в состав оборудования профессиональной системы, разделяется на несколько частотных диапазонов, которые отдельно усиливаются и воспроизводятся. Добиться ровного звукового поля во всем диапазоне воспроизводимых частот удается только при использовании множества правильно подобранных и расположенных узкополосных акустических систем. Направленное действие акустических систем приводит к существенному уменьшению реверберации, увеличению звукового давления и минимизации фазовых искажений в озвучиваемом участке помещения. Следует отметить, что ошибка в 1 градус при ориентировании акустических систем линейного массива (вследствие низкого качества проекта и/или монтажа) может свести на нет все преимущества многоканальной системы. Как правило, каждый элемент устанавливаемых кластеров питается от собственного цифрового усилителя D или T класса, который настраивается для получения оптимальных характеристик звукового поля с учетом типа применяемых динамиков и твиттеров, объема и материала корпуса. Цифровой усилитель может содержать звуковой процессор, способный вносить в сигнал частотные и временные предыскажения.

Многоканальные системы также могут использоваться при необходимости разделить помещения на несколько независимых зон, в которых воспроизводятся различные музыкальные программы. Этот прием используется, например, в развлекательных комплексах, состоящих из множества залов. Достоинство такой системы заключается в возможности централизованного управления.

По функциональному назначению усилители мощности звуковой частоты можно разделить только условно. По сути, они устроены практически одинаково, отличия вызваны только определенными (повышенными или, наоборот, пониженными) требованиями к техническим характеристикам. Тем не менее, можно выделить:

• Бытовые усилители;
• Автомобильные усилители;
• Концертные усилители;
• Студийные усилители;
• Трансляционные усилители;
• Специальные усилители.

К бытовым усилителям в основном предъявляется только одно требование — низкая цена. Учитывая, что их выходная мощность невелика и выполнены они на основе интегральных схем, то различия между бытовыми усилителями стоит искать в их конструкции, а не в схемотехнике выходных каскадов...

Большую часть автомобильных усилителей можно отнести к категории бытовых. Однако, в силу естественного ограничения размеров, напряжения питания и потребляемой мощности, их схемотехника имеет существенные отличия.

Концертные и студийные усилители — основа профессиональных систем звуковоспроизведения. К ним предъявляются повышенные требования к воспроизведению звукового сигнала (минимум гармонических и интермодуляционных искажений). К концертным усилителям дополнительно предъявляются завышенные эксплуатационные требования, — большая мощность, крайне высокая надежность, всепогодное исполнение и др. Часто цифровые концертные усилители совмещены в одном корпусе с акустическими системами, которые являются частью линейного массива.

Трансляционные усилители используются для передачи мощности на большие расстояния и распределения ее на множество громкоговорителей. Чтобы избежать существенной потери мощности на акустическом кабеле в таких усилителях специально, как правило, с помощью трансформатора, повышается выходное напряжение. Акустические системы также оснащаются трансформаторами, но уже понижающими. В итоге, в такой системе та же мощность передается при меньшем токе. При этом рассеиваемая на проводах мощность уменьшается. Системы трансляции предназначены для доведения до людей важной служебной или аварийной информации, и, иногда, для создания уютного музыкального фона. В связи с этим, особых требований к качеству к трансляционным усилителям не предъявляется. Вполне допустимым считается коэффициент гармонических искажений до 1-2%.

Специальные усилители обеспечивают особые параметры передачи звука за счет внесения в него дополнительных искажений, которые украшают звучание, делают его более выраженным, насыщенным и ярким. Они используются, например, для усиления сигналов от электрифицированных музыкальных инструментов, таких как электрогитара и др.

Несколько слов в заключение

Выбор той или иной модели усилителя естественно зависит от многих факторов: от требований к звуку, воспроизводимому всей системой; от параметров дополнительного оборудования и, что наиболее важно, акустических систем, которые будут использоваться совместно с данным усилителем; от условий эксплуатации, которые определяют степень надежности, удобства в использовании и даже дизайна изделия. Не в последнюю очередь свое влияние на выбор оказывает стоимость аппарата, а точнее пресловутое соотношение цена / качество для моделей усилителей одного класса.

В заключение можно добавить, что кроме ватт, герц, ампер и децибелов есть еще слушатель, без которого звук теряет смысл. Слушатель же привносит субъективное начало. Самая большая сложность как раз и состоит в том, что одинаковому звучанию слушатели вправе давать разные оценки. Сигнал же существует вполне объективно, его можно измерять, оценивать, анализировать.