Audio frekvencija amplifier: vrste, klase i kategorizacija

Audio frekvencijsko pojačalo je generički izraz koji se koristi za opisivanje kola koje proizvodi i uvećava verziju svog ulaznog signala. Međutim, nisu sve tehnologije pretvarača iste, jer su klasifikovane prema njihovim konfiguracijama i režimima rada.

U elektronici se obično koriste mala pojačala jer mogu povećati relativno mali ulazni signal, na primjer sa senzora kao što je plejer, u mnogo veći izlaz za kontrolu releja, lampe ili zvučnika, itd. n.

Postoje mnogi oblici elektronskih kola klasifikovanih kao pojačala, od operativnih i malih senzora signala do velikih impulsa i pretvarača snage. Klasifikacija uređaja ovisi o veličini signala, velikom ili malom, njegovoj fizičkoj konfiguraciji i načinu obrade ulaznog toka, odnosno odnosu između ulaznog nivoa i struje koja teče u teretu.

Anatomija uređaja

Audio frekvencijska pojačala se mogu smatrati jednostavnom kutijom ili jedinicom koja sadrži uređaj kao što je bipolarni, tranzistor sa efektom polja ili operativni senzor koji ima dva ulazna i dva izlazna terminala (uzemljenje je uobičajeno). Štaviše, izlaz signal je mnogo veći zbog njegove konverzije na uređaju.

Idealno pojačalo signala imaće tri glavna svojstva:

1. Ulazna impedansa, ili (R IN).
2. Izlazna impedansa, ili (R van).
3. Dobitak, ili (a).

Bez obzira koliko je složeno kolo pojačala, opšti blok model se može koristiti za demonstraciju odnosa ova tri svojstva.

Opšti koncepti

Visokokvalitetni pojačavači audio frekvencije mogu se razlikovati po svojim karakteristikama. Svaki tip ima digitalnu ili analognu konverziju. Za njihovo razdvajanje uspostavljaju se oznake kodova.

Povećana razlika između ulaznog i izlaznog signala naziva se konverzija. Pojačanje je mjera koliko pojačalo "pretvara" ulazni signal. Na primjer, , ako postoji ulazni nivo od 1 volta i izlazni nivo od 50 volta, tada će konverzija biti 50. Drugim riječima, ulazni signal je razvijen 50 puta. Audio frekvencijsko pojačalo upravo obavlja ovaj zadatak.

Proračun konverzije je jednostavno omjer izlaza podijeljen sa ulazom. Ovaj sistem nema mjerne jedinice kao omjer, ali u elektronici se simbol a obično koristi za pojačanje. Tada se konverzija jednostavno izračunava kao "izlaz podijeljen sa ulaznim signalom".

Pretvarači snage

Mala lupa signala se obično naziva" voltage " amplifier jer obično pretvara mali ulaz u mnogo veći izlazni voltage. Ponekad je potrebno kolo uređaja za kontrolu motora ili napajanja zvučnika, a za aplikacije ovog tipa u kojima su uključene velike preklopne struje potrebni su Pretvarači snage.

Kao što ime govori, glavni zadatak pojačala snage (takođe poznat kao veliki signal amplifier) je za snabdevanje napajanjem tereta. Ovo je proizvod napona i struje primijenjene na teret sa izlaznom snagom većom od nivoa ulaznog signala. Drugim riječima, pretvarač povećava snagu zvučnika, pa se blok kola ovog tipa koriste na vanjskim kaskadama audio pretvarača za upravljanje zvučnicima.

Princip rada

Audio frekvencijsko pojačalo radi na principu pretvaranja istosmjerne snage potrošene iz izvora napajanja u AC voltage signal koji se dovodi do opterećenja. Iako je konverzija visoka, njegova efikasnost od jednosmernog napajanja do izlaznog signala naizmeničnog napona je obično niska.

Idealna jedinica daje uređaju efikasnost od 100%, ili će barem snaga biti jednaka isključenju.

Klasna podjela

Ako su korisnici barem jednom pogledali specifikaciju pojačala snage audio frekvencije, možda su primijetili klase opreme, obično označene slovom ili dva. Najčešći Tipovi blokova koji se danas koriste u potrošačkom kućnom zvuku su vrijednosti A, A / B, D, G I H.

Ove klase nisu jednostavni sistemi klasifikacije, već opisi topologije pojačala, odnosno kako funkcionišu na nivou jezgra. Iako svaka vrsta pojačavača ima svoj skup snaga i slabosti, njihove performanse (i način na koji se procjenjuju konačne karakteristike) ostaju nepromijenjene.

Sastoji se od pretvaranja talasnog oblika koji šalje preliminarna jedinica bez uvođenja smetnji ili barem što manje izobličenja.

Klase A

U poređenju sa drugim klasama pojačala snage audio frekvencije, koje će biti opisane u nastavku, modeli klase a su relativno jednostavni uređaji. Definisanje princip rada da li svi izlazni blokovi pretvarača moraju proći kroz puni ciklus signala od 360 stepeni.

Klasa A se također može podijeliti na jednostruke i. push / pull push-pull amplifieri se razlikuju od glavnog objašnjenja iznad korištenjem izlaznih uređaja u parovima. Dok oba uređaja provode puni ciklus od 360 stepeni, jedan uređaj će nositi većinu opterećenja tokom pozitivnog dijela ciklusa, a drugi će nositi više negativnog ciklusa.

Glavna prednost ove šeme je smanjena distorzija u odnosu na jednostruke dizajne, jer su čak i fluktuacije reda isključene. Pored toga, Dizajn klase A je manje osetljiv na buku.

Zbog pozitivnih kvaliteta povezanih sa radom klase a, smatra se zlatnim standardom kvaliteta zvuka u mnogim oblastima proizvodnje akustike. Međutim, ovi dizajni imaju jedan važan nedostatak-efikasnost.

Uslov za audio frekvencijska pojačala na tranzistorima klase A da svi izlazni uređaji rade kontinuirano. Ova akcija dovodi do značajnih gubitaka energije, koja se na kraju pretvara u toplotu. Ovo je dodatno otežano činjenicom da dizajn klase A zahtijeva relativno visoke nivoe mirne struje, što je količina struje koja teče kroz izlazne uređaje kada amplifier emituje nultu snagu. Indikatori performansi u stvarnom svijetu mogu biti oko 15-35%, dok je moguće koristiti jednocifrene cifre koristeći visoko dinamički izvorni materijal.

Klase B

Dok su svi izlazni mehanizmi u audio frekvencijskom pojačalu na tranzistorima klase A uzmite 100% vremena tokom rada, blokovi klase B koriste krug za pritisak na takav način da samo polovina izlaznih uređaja provodi struju u bilo kojem trenutku.

Jedna polovina pokriva dio talasnog oblika od +180 stepeni, dok druga pokriva dio od-180 stepeni. Kao rezultat toga, pojačala klase B su znatno efikasnija od svojih kolega klase A, sa teorijskim maksimumom od 78,5%. S obzirom na relativno visoku efikasnost, klasa B se koristi u nekim profesionalnim pretvaračima za pojačavanje zvuka, kao i u nekim pojačavačima kućnih cijevi. Uprkos njihovoj očiglednoj snazi, šanse za kupovinu bloka klase B za kuću su gotovo nule. Studija pojačala audio frekvencije otkrila je razlog za to, poznat kao crossover distorzija.

Problem sa kašnjenjem u primopredaji između obrade uređaja pozitivno i negativno dijelovi talasnog oblika smatraju se značajnim. Podrazumijeva se da se takvo izobličenje čuje u dovoljnim količinama, i iako su neki dizajn klase B bili bolji od drugih u tom pogledu, Klasa B nije dobila veliko priznanje od ljubitelja čistog zvuka.

Klasa A/B

Cevni pojačavač zvučnih frekvencija može se naći na mnogim koncertnim prostorima. Karakteriziraju ga visoke performanse i ne pregrijava se u isto vrijeme. Pored toga, modeli su mnogo jeftiniji od mnogih digitalnih jedinica. Ali postoje i odstupanja. Takav modul možda neće raditi sa svim audio formatima. Stoga je bolje koristiti opremu kao dio opšteg kompleksa za obradu signala.

Klasa A / B kombinuje najbolje od svake vrste uređaja za kreiranje jedinice bez nedostataka bilo kojeg od njih. Zahvaljujući ovoj kombinaciji prednosti, pojačala klase A/B uvelike dominiraju potrošačkim tržištem.

Rješenje je zapravo prilično jednostavno u konceptu. Tamo gdje Klasa B koristi push-pull uređaj sa svakom polovinom izlazne faze koja provodi 180 stepeni, mehanizmi klase A / B povećavaju je na ~181-200 stepeni. Dakle, mnogo je manje šanse da dođe do "prekida" u petlji, pa se distorzija ukrštanja spušta do tačke u kojoj to nije važno.

Cevni audio pojačavači snage mogu mnogo brže da apsorbuju ove smetnje. Zbog ovog svojstva, zvuk dolazi sa uređaja mnogo čistiji. Modeli sličnih karakteristika često se koriste za transformiranje zvuka akustičnih i električnih gitara.

Dovoljno je reći da Klasa A / B ispunjava svoja obećanja, lako nadmašujući efikasnost čistih konstrukcija klase A sa pokazateljima reda ~50-70% postignutim u stvarnom svijetu. Stvarni nivoi, naravno, zavise od toga koliko je pojačalo pristrasno, kao i od programskog materijala i drugih faktora. Također je vrijedno napomenuti da neki razvoji klase A / B čine još jedan korak naprijed u svojoj potrazi za eliminacijom izobličenja crossovera radeći u čistom načinu rada klase A do nekoliko vati snage. To daje određenu efikasnost pri radu na niskim nivoima, ali istovremeno osigurava da se pojačalo ne pretvori u peć kada se napaja velika količina energije.

Klase G I H

Još jedan par dizajna dizajniran za povećanje efikasnosti. Sa tehničke tačke gledišta, ni pojačala klase G ni klase H nisu zvanično priznata. Umjesto toga, to su varijacije na temu klase A/B, koristeći prebacivanje napona sabirnice i modulaciju sabirnice, respektivno. U svakom slučaju, u uslovima male potražnje, sistem koristi niži napon sabirnice od sličnog pojačala klase A/B, što značajno smanjuje potrošnju energije. Kada se pojave uslovi velike snage, sistem dinamički povećava napon sabirnice (tj. prebacuje se na visokonaponsku sabirnicu) da rukuje prelazima sa velikom amplitudom.

Postoje i nedostaci. Glavni su visoki troškovi. Originalne šeme prebacivanja mreže koristile su bipolarne tranzistore za kontrolu izlaznih tokova, što povećava složenost i troškove. Visoko kvalitetne cijevi audio amplifiers ovog tipa uobičajeni su, iako cijena počinje od 50 hiljada rubalja. Blok se smatra profesionalnom tehnikom za rad na pozornici ili sprovođenje snimanja zvuka u studiju. Postoje problemi sa tranzistorima. Pod produženim opterećenjem, neki od njih mogu propasti.

Danas se cijena često smanjuje u određenoj mjeri kada se koristi MOSFET visoke struje za odabir ili promjenu vodiča. Upotreba MOSFET-a sa efektom polja ne samo da povećava efikasnost i smanjuje grijanje, već zahtijeva i manje dijelova (obično jedan uređaj po navoju). Pored troškova prelaska sabirnice, same modulacije, takođe je vredno napomenuti da neke klase G pojačala koriste više izlaznih uređaja od tipičnog dizajna klase A / B.

Jedan par uređaja radiće u tipičnom A / B režimu, pogonjeni niskonaponskim autobusima. U međuvremenu, drugi je u rezervi da djeluje kao pojačalo napona, aktivirano samo u zavisnosti od situacije. Samo klase G I H, povezane sa snažnim pojačalima, mogu izdržati velika opterećenja, gdje se povećana efikasnost opravdava. Kompaktni dizajni također mogu koristiti topologije g/H klase za razliku od A / B, s obzirom na to da mogućnost prelaska na režim male snage znači da mogu raditi sa nešto manjim radijatorom.

Klase D

Ova vrsta uređaja omogućava stvaranje vlastitih modularnih sistema. Uz pomoć opreme odvija se visokokvalitetna obrada cjelokupnog izlaznog toka. Dizajn pojačala snage audio frekvencije omogućava vam da kreirate sopstveni multimedijalni sistem za posao ili zabavu. Međutim, ovdje postoje nijanse. Često se pogrešno nazivaju digitalnim pojačanjem, Pretvarači klase D predstavljaju garanciju efikasnosti jedinice, a istovremeno se u stvarnim testovima postižu koeficijenti veći od 90. %.

Prvo, vrijedi razvrstati pitanje zašto pripada klasi D ako je" digitalno pojačanje " netačno. Bilo je to samo sljedeće slovo u abecedi, sa klasom C koja se koristi u audio sistemima. Još važnije, kako se može postići 90%+ efikasnost. Dok sve prethodno pomenute klase pojačala imaju jedan ili više izlaznih uređaja koji su stalno aktivni, čak i kada je konverter zapravo u stanju pripravnosti, jedinice klase D ih brzo prebacuju u stanja" isključeno "i" uključeno. Ovo je prilično zgodno i omogućava korišćenje modula samo u pravim trenucima.

Na primjer, proračun audio frekvencijskih pojačala klase T, koji su implementacija klase D koju je razvio Tripath, za razliku od osnovnog uređaja, koriste preklopne frekvencije reda veličine 50 MHz. Izlazni uređaji se obično kontrolišu modulacijom širine impulsa. Ovo je kada kvadratne talase različitih širina generiše modulator koji predstavlja analogni signal za reprodukciju. Sa strogom kontrolom izlaznih uređaja na ovaj način, teoretski je moguća efikasnost od 100% (iako je, očigledno, nedostižna u stvarnom svijetu).

Udubljujući se u svijet audio pojačala klase D, možete pronaći i pominjanje analognih i digitalnih kontrolisanih modula. Ove kontrolne jedinice imaju analogni ulazni signal i analogni sistem upravljanja, obično sa određenim stepenom korekcije greške povratnih informacija. S druge strane, digitalno konvertovana klasa D amplifieri koriste digitalnu kontrolu koja prebacuje stepen napajanja bez kontrole greške. Ovo rešenje takođe nalazi odobrenje, prema recenzijama mnogih kupaca. Međutim, cjenovni segment je ovdje mnogo veći.

Studija pojačala audio frekvencije pokazala je da analogno kontrolisana klasa D ima prednost u pogledu performansi u odnosu na digitalni analog, jer obično nudi nižu izlaznu impedanciju (otpor) i poboljšani profil izobličenja. Ovo povećava početne vrijednosti sistema pri njegovom maksimalnom opterećenju.

Parametri pojačala audio frekvencije su mnogo veći od onih kod osnovnih modela. Treba shvatiti da su takvi proračuni potrebni samo za stvaranje muzike u studiju. Obični kupci mogu da preskoče ove karakteristike.

Ovo je obično L-kolo (induktor i kondenzator) postavljeno između pojačala i zvučnika za smanjenje buke povezane sa radom klase D. Filter je od velike važnosti. Loš dizajn može ugroziti efikasnost, pouzdanost i kvalitet zvuka. Takođe, povratne informacije nakon izlaznog filtera imaju svoje prednosti. Iako dizajni koji u ovoj fazi ne koriste povratnu informaciju mogu prilagoditi svoj odgovor na određenu impedanciju kada takva pojačala imaju složeno opterećenje (odnosno zvučnik, a ne otpornik), frekvencijski odgovor može značajno varirati ovisno o opterećenju na zvučniku. Feedback stabilizira ovaj problem, pružajući nesmetan odgovor na složena opterećenja.

Na kraju krajeva, složenost električnih audio frekvencijskih pojačala klase D ima svoje prednosti. Efikasnost i, kao rezultat, manja težina. Pošto se relativno malo energije troši na toplotu, potrebno je mnogo manje energije. Tako se mnoga pojačala klase D koriste u kombinaciji sa preklopnim napajanjem (SMPS). Kao i izlazni stepen, samo napajanje se može brzo uključiti i isključiti kako bi se regulisao napon, što rezultira daljim poboljšanjima efikasnosti i mogućnošću smanjenja težine u odnosu na tradicionalna analogna/linearna napajanja.

Zajedno, čak i moćna pojačala klase D mogu biti teška samo nekoliko kilograma. Nedostatak SMPS napajanja u poređenju sa tradicionalnim linearnim izvorima je taj što prvi obično nemaju veliku dinamičku marginu.

Testovi i brojni testovi audio pojačala klase D sa linearnim napajanjem u poređenju sa SMPS modulima pokazali su da je to zaista tako. Kada su dva pojačala upravljala nazivnom snagom, ali jedan sa linearnim napajanjem mogao bi proizvesti veće nivoe dinamičke snage. Međutim, SMPS dizajn postaje sve češći, a u trgovinama možete očekivati da ćete vidjeti kvalitetnije jedinice sljedeće generacije klase D koje koriste slične oblike.

Poređenje efikasnosti klasa AB i D

Iako se efikasnost audio frekvencijskog pojačavača snage na tranzistorima klase A / B povećava kako se približava maksimalnoj izlaznoj snazi, dizajn klase D održava visoku efikasnost u većini radnih raspona. Kao rezultat toga, efikasnost i kvalitet zvuka sve su skloniji u korist posljednjeg bloka.

Korišćenje jednog pretvarača

Uz odgovarajuću implementaciju, bilo koji od gore navedenih blokova izvan klase B može činiti osnovu visokopreciznog pojačavača. Osim potencijalnih grešaka u performansama (koje su prvenstveno posljedica dizajnerskih odluka, a ne inherentne klasi), izbor tipa bloka je u velikoj mjeri stvar troškova u odnosu na efikasnost.

Na današnjem tržištu dominira jednostavan audio frekvencijski pojačavač klase A/B, A to je dobar razlog. Radi veoma dobro, relativno je jeftin, a njegova efikasnost je sasvim adekvatna za aplikacije sa niskom potrošnjom energije (>200 vati). Naravno, budući da proizvođači pretvarača pokušavaju proširiti granice opskrbe, na primjer, uz pomoć Monobloka Emotiva XPR-1 snage 1000 vati, okreću se dizajnu klase G/H I D kako bi izbjegli dvostruku upotrebu njihovih pojačala kao sistema sposobnih za brzo grijanje opreme. U međuvremenu, na drugoj strani tržišta postoje fanovi klase a koji mogu oprostiti nedostatak efikasnosti uređaja u nadi za čistijim zvukom.

Rezultat

Na kraju krajeva, klase pretvarača nisu nužno toliko važne. Naravno, postoje stvarne razlike, posebno kada su u pitanju troškovi, efikasnost pojačala i, shodno tome, težina. Naravno, oprema klase A snage 500 vati je loša ideja, osim ako, naravno, korisnik nema moćan sistem hlađenja. S druge strane, razlike između klasa ne određuju kvalitetu zvuka. Na kraju se svodi na razvoj i implementaciju vlastitih projekata. Važno je shvatiti da su Pretvarači samo jedan uređaj koji je deo audio sistema.