чем отличаются усилители ab и d класса
Чем отличаются усилители ab и d класса
Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB
Идея создания усилителей класса D родилась в СССР в далёком 1951 году (Википедия).
Но это оказался как раз тот случай, когда путь от идеи до крупносерийного производства оказался очень долгим, в несколько десятилетий.
Причиной тому было отсутствие подходящей для этого элементной базы.
Фактически, такие усилители оказались оправдывающими заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах используются быстродействующие MOSFET- транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии; вот до их создания и прошли десятилетия.
В таком режиме (класса D) максимально реализуется главное заложенное в идее таких усилителей преимущество: высокий КПД.
Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:
— транзистор закрыт, на нём высокое напряжение, но нулевой ток;
— транзистор открыт, на нём малое напряжение, но высокий ток.
Формирование собственно аналогового сигнала осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем полученное напряжение сглаживается фильтром и приобретает пригодный для воспроизведения вид (фильтр требуется не всегда).
(изображение из обзора усилителя D- класса конфигурации 2.1 на микросхеме TPA3255 )
В усилителях класса D (класса Д в русском написании) КПД может достигать 90% и выше.
Во-вторых, уменьшаются габариты и масса усилителей.
В-третьих, при использовании в устройствах с автономным питанием, повышается длительность автономной работы.
Отсутствие искажений типа «ступенька»
В усилителях класса «B » такие искажения образуются за счёт того, что при переходе сигнала через ноль в выходном каскаде верхнее плечо включается позже, чем выключается нижнее. В результате в течение некоторого времени сигнал «зависает» на нуле:
В усилителях класса «AB» такие искажения сигнала снижаются за счет схемотехнического «сближения» уровней верхнего и нижнего плеча так, чтобы они слегка пересекались.
В современных микросхемах усилителей мощности низкой частоты класса «AB» этот эффект можно заметить только на высоких частотах и в весьма специфическом виде: там может «звенеть» одна из полуволн сигнала из-за несимметричности транзисторов в выходном каскаде.
Так выглядит этот эффект в микросхеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):
(изображение из обзора усилителя на TDA2050 )
Частота «звона» выходит далеко за пределы слышимости человеческого уха; но меломаны утверждают, что всё равно этот эффект звук портит, и истинно качественный звук может быть только на ламповых усилителях.
В усилителях класса D этого эффекта не может быть в принципе, так как транзисторы выходного каскада работают в ключевом режиме и момент перехода через ноль у них крайне короткий.
Недостатки усилителей D- класса
Итак, с «плюсами» усилителей класса D разобрались.
Пора заняться и минусами!
1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от сопротивления нагрузки и её характера (активная или активная с индуктивной составляющей).
При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс подавляется и не заметен. Но при повышении сопротивления нагрузки и/или добавлении индуктивной составляющей он становится явственным.
АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя (обведена на изображении красной рамкой, после неё следует повторение цикла сигнала с нарастающей частотой).
Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.
2. Коэффициент демпфирования усилителей D- класса ниже, чем у усилителей класса AB.
Чем коэффициент демпфирования выше, тем лучше подавляются паразитные резонансы в акустической системе; и тем более качественно можно воспроизвести звук.
В усилителях класса AB за счёт отрицательной обратной связи (идущей прямо с выхода) их выходное сопротивление усилителей удаётся сделать сколь угодно близким к нулю во всём рабочем диапазоне частот.
Фильтры имеют как омическое сопротивление, так и индуктивное сопротивление, возрастающее с ростом частоты.
0.4% на каждый градус). Нагрев возникает как за счёт передачи тепла от других элементов, так и за счёт «саморазогрева» при протекании тока в нагрузку.
Для частот свыше 1 кГц импедансом фильтров уже нельзя пренебречь.
Существуют и усилители D- класса без фильтров. В этом случае в качестве фильтра выступает звуковая катушка динамика.
Теоретически можно было бы записать повышенный уровень радиопомех от усилителей как отдельный недостаток, но практически радиопомехи возникают только в случаях грубых ошибок при проектировании усилителей.
Например, это возможно в тех случаях, когда мощный усилитель разработан в исполнении без фильтров.
В таком случае кабель, идущий от усилителя к колонкам превращается в добротную излучающую антенну; а благодаря крутым фронтам импульсов излучается не только основная частота ШИМ, но и многие десятки гармоник.
3. Линейность усилителей D- класса может оказаться хуже, чем у усилителей класса AB.
Это связано с тем, что внутри усилителя имеется генератор пилообразного напряжения, с которым сравнивается входное напряжение для формирования выходных импульсов ШИМ. Если сформированное пилообразное напряжение будет иметь нелинейности, то они напрямую передадутся на вход.
4. Помехи от источника питания могут передаваться на выход
Обычно микросхемы усилителей класса D имеют системы подавления помех от источника питания; но из-за физических принципов работы усилителей D- класса такое подавление не может быть полным.
Итоги и выводы
Усилители класса D сделали небольшую революцию в усилительной технике, но только с точки зрения КПД и его последствий, т.е. возможности сокращения габаритов звуковоспроизводящих устройств и увеличении длительности их автономной работы (при необходимости таковой).
С точки зрения качества воспроизведения звука никакой революции не произошло. Оно если и изменилось, то совсем немного и притом не в лучшую сторону.
Некоторый «плюс» усилителей класса Д в отношении качества звука (в виде полной ликвидации искажений типа «ступенька») вряд ли будет заметен, если сравнивать с современными высококачественными микросхемами усилителей мощности класса AB.
Но, в тоже время и негативные эффекты, связанные с повышением выходного импеданса на высоких частотах, вряд ли будут ощутимы при работе на фиксированную нагрузку в виде достаточно качественных акустических систем.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru 
Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Ваш Доктор.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Аудиофилькина грамота: немного букв о критериях качества, характеристиках и классах HI-FI усилителей
В комментариях к предыдущим статьям возникало масса вопросов относительно выбора HI-FI усилителя. Судя по комментариям и специфическим форумам, на текущий момент актуальны вопросы о критериях качества звука при выборе современных усилителей, о паспортных характеристиках, значимых при покупке, о зависимости качества (верности воспроизведения) от класса усилителя. Отдельно спрашивают о том, действительно ли все усилители класса D хуже, чем усилители других классов. Под катом краткие ответы на эти вопросы.
Критерии качества и проблема компетенций потребителя
Существует несколько подходов потребительского определения качества, но ни один не дает гарантию удачной покупки. Если верность воспроизведения и мощность (громкость) можно оценить субъективно, то с надежностью и стабильностью параметров могут возникнуть проблемы. Сталкивался даже со случаями, когда очень прилично звучащие дорогие усилители малоизвестных high end производителей начинали работать как генераторы, начинали издавать гул в приступе самовозбуждения.
Если не вдаваться в подробности, то для понимания качества продукта следует обладать минимальными познаниями в схемотехнике усилителей и физике процессов, на которых они построены, иметь на руках схему конкретного усилителя и знать об особенностях элементов, использованных в конструкции устройства. Т.е. в идеале для такой оценки нужно быть инженером или как минимум опытным радиолюбителем. Большинство покупателей такими компетенциями не обладает. Это дает возможность для многочисленных маркетинговых манипуляций, начиная от внешнего вида устройства, заканчивая манипулятивным подходом к измерениям базовых параметров.
Формальными критериями качества усилителя для потребителя являются данные мануалов или даташитов. Следует помнить, что они отражают реальную картину лишь в том случае, если измерения проведены в рамках принятых стандартов и там обязательно должна быть указана мощность устройства, диапазон воспроизводимых частот и неравномерность АЧХ, коэффициент нелинейных искажений, соотношение сигнал/взвешенный шум, перечислены аналоговые и цифровые интерфейсы. Реже в документации можно встретить данные о демпфинг-факторе, переходном затухании между каналами и различии усиления каналов.
Мощность
Любые данные в даташитах могут искажаться с целью маркетингового манипулирования. Чаще это происходить с мощностью, о чем мы писали здесь. Так, вместо RMS и DIN, которые имеют четкие критерии расчета, могут использоваться термины вроде program power, которые, по сути, ничего не значат, так как методика расчета мощности известна только создателям усилителя. Тут имеет смысл посмотреть на значение потребляемой мощности, если она приблизительно равна, незначительно больше, и тем более, если меньше заявленной program power, то данные о мощности явно искажены, а использованная методика измерения не дает увидеть сколько-нибудь реальной картины.
Для потребителя это означает, что следует искать в указание RMS и то, что ориентироваться на значение Program power нельзя, т.к. это значение фактически означает т.н. маркетинговую мощность устройства. Достоверные значения это:
DIN — значение мощности на реальной нагрузке (для усилителя), ограниченной появлением нелинейных искажений. Измеряется подачей сигнала с частотой 1 кГц на вход устройства в течение 10 минут. Мощность замеряется при достижении 1 % THD (КНИ). Этот стандарт расчета мощности идентичен японскому стандарту EIAJ, принятому Electronic Industries Association of Japan.
DIN Music Power описывает значение длительной нагрузки музыкальным сигналом без риска повреждения. IEC Power — тот же DIN Music Power, но со строго определённой длительностью измерений в 100 часов.
RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) — максимальная (предельная) синусоидальная мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно на 20 — 25 % выше DIN. RMS практически аналогичен AES power, определённый стандартом AES2-1984.
В советской и российской документации также можно встретить параметр “Номинальная мощность” — он определяется при среднем положении регулятора громкости усилителя, при которой остальные параметры устройства соответствуют заявленным в техническом описании. Это манипулятивный показатель, как и program power, так как может измеряться при наиболее выгодном значении нелинейных искажений и может подгоняться под действующие стандарты. Что интересно, при всей манипулятивности “Советский номинал”, как правило, ниже прочих значений, например, номинальная мощность 35 Вт приблизительно соответствует 110 Вт RMS (AES power), 90 Вт — IEC Power (DIN Music Power). Значения Program power обычно в два раза (и более) больше RMS, т.е. 35 Вт номинала могут соответствовать 220 Вт Program power.
АЧХ и частотный диапазон
Ещё интересней с частотным диапазоном. Известно, что человек способен слышать частоты от 20 Гц до 20 кГц, при этом в музыкальном сигнале HiRes форматов могут сохраняться ультразвуковые составляющие записи. При этом, очевидно, что широкий частотный диапазон усилителя создается не просто так. Повышение верхнего порога частотного диапазона — это способ улучшить переходную характеристику усилителя, так как области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен. Подробнее об этом здесь.
Так, действующие до настоящего времени ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия, частично заимствованный из немецкого стандарта DIN 45500 1977 года и доработанный, предполагает для усилителей нулевой группы сложности (т.е. высокой верности воспроизведения) частотный диапазон 10 до 40000 Гц, а для усилителей первой группы сложности — от 20 до 25000 Гц.
При этом неравномерность в стандарте указывается как раз в диапазоне слышимых частот и должна составлять не больше ±0,3 дБ для нулевой и ±0,5 для первой группы. Актуальным международным стандартом для усилителей является IEC 60268-3: 2018, нормы стандарта относительно АЧХ практически идентичны российскому (советскому) ГОСТ и немецкому DIN 45500.
Для потребителя это означает, что имеет смысл выбирать усилитель с диапазоном воспроизводимых частот как минимум от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью АЧХ не более ±0,5 дБ. Также, если верность воспроизведения очень критична, имеет смысл выбирать усилитель с диапазоном от 10 Гц до 40 кГц (и выше) и неравномерностью в слышимом спектре (от 20 Гц до 20 кГц) не более ±0,3 дБ. Подчеркну, не потому, что покупатель стал летучей мышью и слышит выше 20 кГц, а от того, что расширение частотного диапазона улучшает переходную характеристику.
КНИ (THD)
К значимой характеристике усилителя, которая объективно говорит о качестве, относится коэффициент гармонических (нелинейных) искажений (total harmonic distortion), согласно того же советского стандарта для предварительных и интегральных усилителей (как отдельных устройств) он должен составлять до 0,005% и для усилителей мощности до 0,007% для нулевой группы. А также 0,05% и 0,07%, соответственно, для первой группы. Как и в случае с АЧХ, аналогичные требования существуют во всех современных (и не очень) мировых стандартах для аудиоаппаратуры высокой верности воспроизведения.
Для потребителя это означает, что имеет смысл искать усилитель со значением КНИ с максимальным значением КНИ от 0,07%, а при высоких притязаниях и аудиофильских требованиях к верности воспроизведения 0,007% и ниже. Надо сказать, что найти такой усилитель достаточно просто, так как большинство современных могут похвастаться сравнительно низким КНИ.
Надо отметить, что помимо гармонических искажений, усилительная аппаратура является источником интермодуляционных, которые крайне редко попадают в даташиты, а между тем, серьезно вредят верности воспроизведения, воспринимаются, как замыленность звука. Стандарт DIN 45500, считающийся источником норм для аппаратуры HI-FI-класса, определял, что для усилителей высокой верности воспроизведения “коэффициент интермодуляционных искажений (IMD) в полосе воспроизводимых частот 250—8000 Гц (также вне этой полосы при снижении уровня звукового давления на 6 дБ)”, не должен превышать 3 %.
Из 400 даташитов и мануалов усилителей, которые мне доводилось видеть за последнее время, значения IMD были указаны в пяти, все они стояли больше 100К рублей. И дело даже не в том, что производитель во чтобы-то ни стало пытается скрыть истину, а в том, что измерение дополнительного параметра, о котором знает от силы 0,1% потребителей массовой техники, расценивается как не очень рациональное решение.
Для потребителя это означает, что скорее всего даже в документах достаточно дорогих устройств он этого параметра не найдёт. Определить интермодуляции можно на слух для этого достаточно использовать записи детского и женского дикант хора. Нужно постараться сконцентрировать внимание на отдельных голосах, если этого сделать не удаётся, а отдельные голоса слышаться не четко — вероятно, речь идёт о достаточно большом коэффициенте интермодуляционных искажений. Важно также понимать, что их источником может быть не усилитель, а акустическая система, поэтому для этого субъективного теста имеет смысл использовать лучшую из возможных акустических систем либо сравнение с неким эталонным усилителем на одной акустической системе.
Отношение сигнал/взвешенный шум
Отношение сигнал/взвешенный шум — параметр усилителей, демонстрирующий уровень шума при отсутствии сигнала. В соответствии с упоминавшимися стандартами, соотношение сигнал/взвешенный шум должно быть не менее 80 — 90 дБ для предварительных и интегральных HI-FI усилителей и 100 — 110 для усилителей мощности высокой верности. Минимальным значением для предварительных и интегральных усилителей является 63 дБ и для усилителей мощности — 86 дБ. Надо сказать, что с этим параметром у большинства современных усилителей полный порядок, и если значения существенно отличаются от приведённых выше, можно говорить, что речь идёт явно об устройстве низкого качества.
Потребителю имеет смысл обратить внимание на соотношение сигнал/взвешенный шум, так как попытки сделать схемотехническое решение дешевле или не очень профессиональный подход к разводке печатной платы в современной аппаратуре иногда дают плачевные результаты. Важно, чтобы значение было как минимум 60-80 дБ, для притязательных меломанов следует ориентироваться на 90 дБ и выше.
Ламповые чудеса
Иногда в дорогих ламповых устройствах показатель сигнал/взвешенный шум ниже, в силу несовершенства архаичных схемотехнических решений, когда этот параметр отдается в “жертву” ради каких-либо других полезных, с точки зрения создателей или эксцентричных потребителей, эффектов, например, какого-то характерного звучания, которое оценивают, как более “музыкальное”, “тёплое”, “жанрово совместимое”. К слову, аналогичная история происходит с нелинейными искажениями. Так, коэффициент гармоник даже в сверхдорогих ламповых усилителях может достигать 3 и даже 5%.
Классы усилителей
Традиционно считается, что наибольшей верностью воспроизведения обладают усилители класса A. В теории, простая схемотехника и, как правило, однотактный режим работы без отсечки сигнала позволяет свести к минимуму нелинейные искажения (как THD, так и IMD), а также уменьшить порядок гармоник. Обратной стороной решения являются крошечные КПД, которые редко превышают 15 — 17%, а соответственно, дополнительными проблемами становятся громадные размеры и масса. Закономерно растет и энергопотребление.
Для потребителей, стремящихся к максимальной верности воспроизведения, не стесненных в средствах и не опасающихся огромной массы и габаритов — этот вариант идеален. Для всех остальных не рационален и неприемлем.
В классе B, режим работы двухтактный, элемент (лампа, npn-транзистор) воспроизводит либо положительные, либо отрицательные(pnp-транзисторы) входные сигналы. При этом угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину, в связи с чем растут IMD и THD. Достоинством режима является сравнительно высокий КПД, который в теории может достигать 75%. Сегодня этот класс почти полностью заменили усилители класса D класса A/B.
Из класса АВ, понятно, что это попытка объединить высокий КПД и низкий коэффициент нелинейных искажений. Чтобы отказаться от ступенчатого перехода, существующего в классе B, применяют угол отсечки 90 градусов и более при переключении усилительных элементов. Соответственно, рабочая точка находится в начале линейного участка вольтамперной характеристики. По этой причине исключается запирание усилительных элементов и через них протекает ток покоя, порой достаточно значительный. Это несколько снижает КПД, по сравнению с классом B, но значительно уменьшает нелинейные искажения. Недостатком этого класса является незначительная проблема стабилизации тока покоя, которая решается различными способами.
Самым распространенным, дешевым и высокопроизводительным, а также одним из самых спорных классов усилителей, является класс D. Такие усилители часто называют цифровыми, так как для усиления используется ШИМ-модуляция. Они состоят из блока фильтрации, 4-х канального ШИМ-контроллера, усилителя тока, выходного НЧ-фильтра, блока защит и блока питания. Ключевое достоинство: предельно высокий, по сравнению с другими классами КПД, в теории способный достигать 90% и более. Также класс D имеет ряд проблем, а именно:
Сухой остаток
Основными критериями качества для усилителей являются такие параметры, как мощность, АЧХ, THD. Также имеет смысл обратить внимание на IMD и соотношение сигнал/взвешенный шум. Стандартами, созданными в разных странах за после 40 лет описаны значения этих, которым должны соответствовать усилители высокой верности воспроизведения, к таким стандартам относятся DIN 45500, ГОСТ 24388-88, IEC 60581, IEC 60268-3: 2018, в соответствии с нормами которых созданы большинство современных усилителей. Усилитель высокой верности воспроизведения можно построить в любом классе, в том числе и в классе D, которые в настоящий момент являются наиболее распространёнными. Я постарался выбрать критерии наиболее значимые для верности воспроизведения усилителя. Описал безусловно не все, так демпфинг фактор, разделение каналов по усилению и переходное затухание между стереоканалами я оставил для других материалов. Если вам есть, что добавить — буду искренне признателен за дополнительные сведения в комментариях.
В нашем каталоге представлен широкий ассортимент разнообразной электроники: наушников, усилителей, акустических систем, телевизоров и других устройств, мы также не обошли стороной приверженцев божественного звука.
Классы усиления — A, AB, D… Что дальше?
Вы сильно удивитесь, но первый электронный усилитель появился на свет еще в 1906 году, когда Ли де Форест изобрел так называемый аудион, а проще говоря — электровакуумный триод. Тогдашние усилители на триодах были, во-первых, однотактными, то есть в них один элемент усиливал весь сигнал, а не одну из его полуволн, а во-вторых работали они в классе А, то бишь усилительный элемент никогда не закрывался и его ток покоя всегда превышал отдаваемый в нагрузку. Главным недостатком этого режима работы является крайне низкий КПД, на практике — порядка 20%, вся остальная энергия фактически уходит в нагрев аппарата.
За триодами последовали тетроды и пентоды, получили дальнейшее развитие и режимы усиления. Ближайший родственник класса А — класс B, это двухтактный усилитель, где одна половина элементов усиливает положительную полуволну сигнала, а другая половина — отрицательную, при этом получается, что половину времени каждое из плечей не работает. Налицо экономия энергии и улучшение мощностных характеристик, типовой КПД такого усилителя составляет 60-70%, а выходная мощность ограничивается только числом элементов в выходных каскадах. Однако этому классу свойственен так называемый эффект отсечки, когда сигнал проходит через нулевую точку и одно из плечей заканчивает свою работу, а другое начинает. Когда в 60-х гг. прошлого века стали появляться первые транзисторные усилители, разработчики, желая обеспечить большую разницу в ТТХ относительно ламповых схем, «загоняли» их практически в чистый класс В, где этот эффект хорошо слышен, особенно на малых уровнях. Чтобы избежать его, необходимо задавать не нулевой ток покоя, а хотя бы на уровне нескольких процентов от максимального. Такой вариант получил название АВ, как совмещающий в себе свойства обоих первичных классов.
Класс D, зачастую ошибочно называемый цифровым, был разработан еще 50-х гг., с использованием ламповой схемотехники, но активное развитие получил лишь в конце 80-х гг. с появлением мощных полевых транзисторов. В основе работы этого класса лежит широтно-импульсная модуляция, а основное его достоинство — крайне высокий КПД, доходящий до 90-95%.
Подведём промежуточный итог. Чистый класс А — удел исключительно матерых аудиофилов (ну если речь не идет про усилитель для наушников или пред, на тех уровнях сигнала это вполне допустимо). Класс В (а фактически АВ, ибо минимальный ток покоя никто не выставляет) — пока еще большая часть звукоусилительной техники. Однако, постепенно, происходит замена АВ на D, как в профессиональной (студийной и концертной), так и в домашней технике, в основном под давлением экологов, хотя вопрос экономии места (а усилители класса D традиционно компактны) тоже стоит достаточно остро.
Что же получается, велосипед уже окончательно изобретен? Да, но нет. Что показывает нам эволюция классов усиления? То, что идет она по пути экономии энергопотребления за счет компромиссов в качестве звучания. А если попытаться сэкономить и не потерять? Напряжение питания оконечных каскадов определяет в том числе и максимальную выходную мощность, которая бывает востребована достаточно редко. Можно запитать каскады не одной, а двумя шинами, при этом первая будет обеспечивать работу на низких уровнях сигнала, а вторая «разгонять» каскады до полной паспортной мощности. Именно так реализованы усилители английской компании Arcam, причем при работе от первой шины аппарат функционирует в чистом классе А. Данный режим работы получил индекс G и обладая всеми преимуществами классического АВ, может похвастаться существенно меньшим энергопотреблением. Фактически, в данном случае можно говорить об адаптивном классе АВ.
Разработчики другой английской компании, Cambridge Audio, пошли еще дальше и в аккурат на 110-ую годовщину триода представили класс XD. К широтно-импульсной модуляции класса D он не имеет никакого отношения, аббревиатура расшифровывается как crossover displacement – управляемое смещение. Их идея заключается в том, что при малом уровне сигнала усилитель работает в классе А, а с ростом выходной мощности переходит в класс В, при этом на нулевом уровне точка смещения находится гораздо меньшее время. КПД такого усилителя лишь немногим меньше традиционного, в классе АВ, а вот уровень искажений существенно ниже.