Что такое кпд усилителя

Усилители низкой частоты классов: А, B, AB, D, G, H

Здравствуй, Хабр!

В данной статье мы рассмотрим звуковые усилители классов: А, B, AB, D, G, H

Сначала рассмотрим классы по положению рабочей точки. Каждый транзистор имеет выходную характеристику, которую можно найти в DataSheet.

Пример характеристики на рисунке ниже.

Выходная характеристика транзистора.

Именно с помощью данной характеристики мы сможем выбрать класс усилителя по положению точки покоя.

Выходная характеристика показывает какой ток нам нужно задать базе транзистора, для того чтобы получить определённый класс усилителя, также мы узнаем Iк.

Класс А

Класс А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал.
Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Класс B

Элемент, работающий в данном классе способен усиливать только одну полуволну, положительную либо отрицательную.

Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.

Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.

Класс D

Принцип действия данного класа. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).

Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.

Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Усилители класса G и H

Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).

Усилитель класса H

Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Источник

Что такое кпд усилителя

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

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

Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.

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.

Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Представитель усилителей класса А

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

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.

Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.

Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

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

Представитель усилителей класса АВ

Класс H

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%.

Класс D

Блок схема цифрового усилителя

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.

График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

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.

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.

Такие усилители 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.

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.

Представитель усилителей класса D

Источник

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.

Источник