Классы усилителей:понимание смысла усилителей классов AB и D

У усилителей очень тяжелая работа. Они должны взять сигнал очень низкого напряжения и увеличить его амплитуду, чтобы он мог управлять динамиком. В этом преобразовании мы ожидаем, что сигнал останется чистым — не нужно добавлять никаких искажений или шума. Мы также хотим, чтобы наши динамики потребляли значительное количество энергии, даже несмотря на то, что мы питаем наши усилители только от 12 до 14 вольт электричества. Законы физики, кажется, хотят работать против нас на каждом шагу, но мы побеждаем! Современные автомобильные усилители звука — это удивительные достижения инженерной мысли и дизайна. В этой статье рассматриваются два основных типа классов усилителей, используемых в автомобильной аудиоиндустрии, а также преимущества и недостатки каждого из них. Добро пожаловать в класс AB и класс D.

Математика того, как усилители создают мощность

Независимо от того, как мы настроим компоненты внутри усилителя, цель одна и та же:увеличить напряжение аудиосигнала предусилителя, чтобы он мог управлять динамиком. Поскольку динамики, которые мы используем, имеют низкий импеданс (2 или 4 Ом для большинства среднечастотных динамиков), мы также должны иметь возможность подавать на динамик значительный ток. Подача тока на динамик — вторая задача, которую должен выполнять усилитель.

С помощью небольшой математики, если 4-омный динамик получает среднеквадратичное значение 12 В, мы можем сделать несколько расчетов. Чтобы рассчитать ток, протекающий через динамик, мы делим подаваемое напряжение на импеданс динамика. В этом примере у нас есть 12, деленное на 4, поэтому по проводам динамика и звуковой катушке протекает ток силой 3 ампера. Простой способ рассчитать мощность, поступающую на динамик, — умножить подаваемое напряжение на подаваемый ток. Произведение 12, умноженное на 3, равно 36. Этот динамик получает мощность 36 Вт.

Давайте посмотрим на тот же пример, как если бы это был усилитель сабвуфера. Во втором примере мы предположим, что у нас есть сабвуфер с двойной звуковой катушкой на 2 Ом, в котором обе катушки подключены параллельно для получения нагрузки 1 Ом. Если мы подадим на этот динамик сигнал 12 В (среднеквадратичное значение), то через провод динамика и сабвуфер будет протекать ток 12 ампер. Чтобы рассчитать мощность, мы умножаем 12 на 12, чтобы получить 144 Вт. 144 Вт — это много больше мощности и тока при том же напряжении.

Общий обзор функций усилителя

Большинство усилителей состоят из трех или четырех ключевых секций (или каскадов), в зависимости от их конструкции и сложности. Входной каскад — это часть усилителя, где низкоуровневый звуковой сигнал предусилителя поступает в усилитель и подвергается какой-либо обработке в виде коррекции или фильтрации.

У усилителя есть блок питания. Блок питания преобразует подаваемые 12–14 В постоянного тока в положительное и отрицательное напряжения шины. Допустим, например, что теоретический усилитель имеет шины +25 и -25 В относительно нашего эталона земли. В зависимости от размера усилителя будет каскад драйвера. Каскад драйвера отвечает за усиление низкоуровневого аудиосигнала до более высокого напряжения. Насколько каскад драйвера увеличивает напряжение, зависит от того, какую мощность будет производить усилитель.

Наконец, у нас есть выходной каскад. Выходной каскад относительно прост — он существенно не изменяет сигнал, поступающий от каскада драйвера, но устройства (МОП-транзисторы или транзисторы), используемые для обеспечения выходного сигнала током, требуемым нагрузкой. Блок питания и выходной каскад — это две части усилителя, которые выполняют наиболее «тяжелую работу». Другими словами, это этапы, через которые проходит большой ток.

Почти во всех усилителях на рынке мы используем специальные устройства для положительной половины сигнала и отдельные устройства для отрицательной половины сигнала. Чтобы уточнить, если мы измерим выходной сигнал усилителя относительно земли автомобиля, мы увидим, что он колеблется взад и вперед выше и ниже 0 В. Вспомните наши шины питания +25 В и -25 В. Динамики не заботятся о ценности посылаемого им сигнала; их волнует только разница в напряжении от одного конца звуковой катушки до другого конца.

Усилители класса AB

В этой статье мы собираемся обобщить усилители класса AB в модель аналогового усилителя. В нашем аналоговом усилителе у нас есть большие транзисторы в выходном каскаде усилителя. Когда нам нужна половина напряжения положительной шины на выходе, мы подаем половину напряжения на положительное выходное устройство. Когда сигнал становится отрицательным, мы отключаем положительное устройство и начинаем использовать только отрицательное устройство. С другой стороны, аудиосигнал от каскада драйвера управляет сопротивлением выходных устройств и, следовательно, тем, какой ток может протекать через динамик.

В аналоговом усилителе устройства вывода могут быть «включены» в разной степени относительно аудиосигнала. Это означает, что выходные устройства часто действуют как резисторы. Энергия теряется в виде тепла, когда мы пропускаем ток через резистор. Имейте это в виду при сравнении далее в статье.

Усилители класса D

В усилителе класса D выходные устройства получают управление от интегральной схемы контроллера (IC). Этот контроллер посылает прямоугольную волну с переменным рабочим циклом. Амплитуда прямоугольной волны достаточно высока, чтобы полностью включать или выключать выходные устройства. Устройства вывода очень мало времени работают как резисторы и больше действуют как переключатели.

Логичный вопрос:как же нам получить музыку из прямоугольной волны? Если вы так подумали, хорошо для вас! Частота прямоугольной волны намного выше, чем максимальная частота нашей музыки. Фактически, некоторые современные усилители класса D переключают выходные устройства на частотах до 600 кГц.

Для воссоздания музыки контроллер класса D посылает сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Количество времени «включено» относительно времени «выключено» определяет выходной уровень сигнала. В качестве очень общей аналогии, если на устройства с положительным выходом посылается прямоугольная волна с рабочим циклом 50% (включен столько же времени, сколько он был выключен), то среднее значение выходного сигнала будет 50% от напряжения положительной шины. Если прямоугольная волна включена в течение 75% времени, а затем выключена в течение 25%, то мы получим на выходе 75% напряжения на шине.

Как вы понимаете, сигнал от контроллера класса D довольно сложный. Он должен достаточно быстро модулировать рабочий цикл прямоугольной волны, идущей к положительным и отрицательным устройствам, чтобы точно воссоздать звуковой сигнал. Он также должен управлять как положительными, так и отрицательными устройствами вывода отдельно.

Преимущества и недостатки аналоговых усилителей

Поскольку звуковой сигнал в аналоговом усилителе никогда не разбивается на мелкие кусочки, аналоговые усилители могут оставаться верными исходному сигналу. Аналоговые усилители с лучшим звучанием в индустрии мобильной электроники. Исторически сложилось так, что аналоговые усилители имеют репутацию точных высокочастотных характеристик.

Недостатком аналогового усилителя является его эффективность. Эффективность описывает, сколько энергии теряется в виде тепла по сравнению с энергией, передаваемой динамику. Поскольку выходные устройства в аналоговом усилителе работают как переменные резисторы, они нагреваются. Типичные аналоговые усилители работают в диапазоне эффективности 70-80% относительно общей эффективности при работе на полной мощности. Недостающие 20-30% выделяются в виде тепла. При более низком уровне производительности эффективность падает еще больше.

Преимущества и недостатки цифровых усилителей

Современные цифровые усилители переключаются на чрезвычайно высоких частотах. Мы видим усилители, способные воспроизводить звуковые частоты выше 50 кГц, а некоторые даже выше 70 кГц. Эти характеристики далеки от первых усилителей класса D, которые предназначались только для сабвуферов и с трудом воспроизводили звук выше 5 кГц. Тем не менее, поскольку цифровые усилители требуют сети фильтров в конце выходного каскада, они все еще не могут полностью соответствовать характеристикам аналогового усилителя премиум-класса. Имея в виду эту информацию, учтите, что есть хорошие цифровые усилители, которые звучат лучше, чем многие плохо спроектированные аналоговые усилители.

Поскольку выходные устройства цифрового усилителя редко работают в своем резистивном диапазоне, эти усилители могут быть очень эффективными. Хорошо спроектированный усилитель класса D может иметь КПД около 92%.

Еще одна проблема усилителей класса D — это шум. Поскольку выходные устройства управляются прямоугольной волной, в выходном сигнале много высокочастотной энергии. Сеть фильтров, о которой мы говорили, удаляет большую часть этого из выходного сигнала, но эта энергия все еще может оказывать пагубное воздействие на другие системы автомобиля. К сожалению, общей чертой многих усилителей класса D является то, что они создают помехи радиоприему во время работы.

Выбор между классами усилителей

Было бы неплохо, если бы мы могли сформулировать набор жестких правил для выбора подходящего усилителя для вашей системы. . С таким количеством вариаций каждого типа усилителя в столь разных ценовых категориях это действительно невозможно. Мы настоятельно рекомендуем, чтобы единственный способ выбрать усилитель — сравнить его с другим в контролируемых условиях:использовать одну и ту же музыку и одни и те же динамики и слушать с одинаковой громкостью. Вы услышите разницу в частотных характеристиках и существенные различия в возможностях визуализации и постановки.

Один вид усилителя лучше другого? Для установки, посвященной исключительно качеству звука, выбор очевиден. Для установки, где подача энергии ограничена или требуется большое количество энергии, выбор очевиден. В середине это зависит от вашего приложения и бюджета.

Загляните в местный специализированный магазин мобильной электроники, чтобы узнать о новейших усилителях на рынке. Они будут рады помочь вам выбрать тот, который соответствует вашим требованиям и работает в рамках вашего бюджета.