Audio frekvencia erősítő: típusok, osztályok és kategorizálás

Az audiofrekvencia-erősítő egy általános kifejezés, amelyet egy olyan áramkör leírására használnak, amely a bemeneti jel egy változatát előállítja és felnagyítja. Azonban nem minden átalakító technológia azonos, mivel konfigurációjuk és működési módjuk szerint vannak osztályozva.

Az elektronikában általában kis erősítőket használnak, mert képesek egy viszonylag kis bemeneti jelet, például egy érzékelőtől, például egy lejátszótól, sokkal nagyobb kimenetre növelni egy relé, lámpa vagy hangszóró stb. n.

Az elektronikus áramköröknek számos formája van erősítőként besorolva, a működési és a kis jelérzékelőktől a nagy impulzus-és teljesítményátalakítókig. Az eszköz osztályozása a jel méretétől, nagy vagy kicsi, fizikai konfigurációjától és a bemeneti adatfolyam feldolgozásának módjától, vagyis a bemeneti szint és a terhelésben áramló áram közötti kapcsolattól függ.

A készülék anatómiája

Az audiofrekvencia-erősítők egyszerű doboznak vagy egységnek tekinthetők, amely olyan eszközt tartalmaz, mint például bipoláris, terepi tranzisztor vagy működési érzékelő, amely két bemeneti és két kimeneti csatlakozóval rendelkezik (a földelés gyakori). Sőt, a kimenet a jel sokkal nagyobb az eszközön történő átalakítása miatt.

Az ideális jelerősítőnek három fő tulajdonsága lesz:

1. Bemeneti impedancia, vagy (R IN).
2. Kimeneti impedancia, vagy (R OUT).
3. Nyereség, vagy (A).

Nem számít, mennyire összetett az erősítő áramkör, egy általános blokkmodell használható e három tulajdonság kapcsolatának bemutatására.

Általános fogalmak

A kiváló minőségű hangfrekvenciás erősítők jellemzőikben eltérhetnek. Minden típus digitális vagy analóg átalakítással rendelkezik. Elkülönítésükhöz kódmegjelöléseket hoznak létre.

A bemeneti és kimeneti jelek közötti megnövekedett különbséget átalakításnak nevezzük. A nyereség annak mértéke, hogy egy erősítő mennyit "konvertál" egy bemeneti jelet. Például, , ha van a bemeneti szint 1 volt, a kimeneti szint pedig 50 volt, akkor az átalakítás 50 lesz. Más szavakkal, a bemeneti jelet 50-szer fejlesztették ki. Az audio frekvencia erősítő csak ezt a feladatot hajtja végre.

A konverziós számítás egyszerűen a kimenet aránya osztva a bemenettel. Ennek a rendszernek nincs mértékegysége, mint aránya, de az elektronikában az a szimbólumot általában erősítésre használják. Ezután az átalakítást egyszerűen úgy számítják ki, hogy "kimenet osztva bemeneti jellel".

Áramátalakítók

Egy kis jel nagyítót általában "feszültség" erősítőnek neveznek, mert általában egy kis bemenetet sokkal nagyobb kimeneti feszültséggé alakít át. Néha egy eszköz áramkörre van szükség a hangszóró motorjának vagy tápellátásának vezérléséhez, valamint az ilyen típusú alkalmazásokhoz, ahol nagy kapcsolási áramok vannak, teljesítményátalakítókra van szükség.

Ahogy a neve is sugallja ,a teljesítményerősítő fő feladata (más néven mint egy nagy jelerősítő) a terhelés áramellátása. Ez a bemeneti jelszintet meghaladó kimeneti teljesítményű terhelésre alkalmazott feszültség és áram szorzata. Más szavakkal, az átalakító növeli a hangszóró teljesítményét, így az ilyen típusú blokkáramköröket az audio konverterek külső kaszkádjain használják a hangszórók vezérlésére.

Működési elv

Az audiofrekvencia-erősítő azon az elven működik, hogy az áramforrásból elfogyasztott egyenáramot a terheléshez táplált váltakozó feszültségjelre konvertálják. Bár az átalakítás magas, hatékonysága az egyenáramú tápegységtől az AC feszültség kimeneti jelig általában alacsony.

Az ideális egység 100% - os hatékonyságot biztosít a készüléknek, vagy legalább a teljesítmény egyenlő lesz az áramkimaradással.

Osztály osztály

Ha a felhasználók legalább egyszer megnézték az audiofrekvencia-erősítők specifikációját, észrevehették a berendezésosztályokat, általában egy-két betűvel jelölve. A leggyakoribb A fogyasztói otthoni hangban ma használt blokktípusok az a, A/B, D, G és H értékek.

Ezek az osztályok nem egyszerű osztályozási rendszerek, hanem az erősítő topológiájának leírása, vagyis hogyan működnek a mag szintjén. Míg minden típusú erősítőnek megvan a maga erőssége és gyengesége, teljesítményük (és a végső jellemzők értékelése) változatlan marad.

Ez abból áll, hogy az előzetes egység által küldött hullámformát interferencia vagy legalább a lehető legkisebb torzítás nélkül konvertálják.

A Osztály

Az audiofrekvencia-erősítők más osztályaihoz képest, amelyeket az alábbiakban ismertetünk, az A osztályú modellek viszonylag egyszerű eszközök. A meghatározó működési elv az, hogy a konverterek összes kimeneti blokkjának teljes 360 fokos jelcikluson kell áthaladnia.

Az A osztály is osztható egy végű és. a push / pull push-pull erősítők különböznek a fenti fő magyarázattól, ha a kimeneti eszközöket párban használják. Míg mindkét eszköz teljes 360 fokos ciklust hajt végre, az egyik eszköz a terhelés nagy részét a ciklus pozitív részében, a másik pedig a negatív ciklus nagyobb részét hordozza.

Ennek a sémának a fő előnye a torzítás csökkentése az egyvégű mintákhoz képest, mivel még a rendelési ingadozások is kizártak. Továbbá, , Az A osztályú push-pull minták kevésbé érzékenyek a zajra.

Az A osztály munkájához kapcsolódó pozitív tulajdonságok miatt az akusztikai termelés számos területén a hangminőség arany színvonalának számít. Ezeknek a terveknek azonban van egy fontos hátránya – a hatékonyság.

Az A osztályú tranzisztorok hangfrekvenciás erősítőinek követelménye, hogy minden kimeneti eszköz folyamatosan működjön. Ez a művelet jelentős energiaveszteséghez vezet, amely végül hővé alakul. Ezt tovább súlyosbítja az a tény, hogy az A osztályú kialakítások viszonylag magas szintű nyugalmi áramot igényelnek, amely a kimeneti eszközökön átáramló áram mennyisége, amikor az erősítő nulla kimenetet ad ki. Teljesítménymutatók a való világban körülbelül 15-35% lehet, míg egy számjegyet lehet használni rendkívül dinamikus forrásanyag felhasználásával.

B Osztály

Míg az A osztályú tranzisztorok hangfrekvenciás erősítőjének összes kimeneti mechanizmusa a működés során az idő 100% - át vegye igénybe, a B osztályú blokkok push-pull áramkört használnak oly módon, hogy a kimeneti eszközöknek csak a fele vezet áramot bármikor.

Az egyik fele a hullámforma +180 fokos részét, míg a másik a-180 fokos részt takarja. Ennek eredményeként a B osztályú erősítők lényegesen hatékonyabbak, mint az A osztályú társaik, elméleti maximum 78,5%. Tekintettel a viszonylag nagy hatékonyságra, A B osztályt néhány professzionális hangerősítő átalakítóban, valamint néhány otthoni csőerősítőben használták. Nyilvánvaló erejük ellenére a ház B osztályú blokkjának megvásárlásának esélye szinte nulla. Az audiofrekvencia-erősítő vizsgálata feltárta ennek okát, crossover torzítás néven ismert.

A probléma az eszközök feldolgozásának késleltetésével a pozitív és negatív a hullámforma részei jelentősnek tekinthetők. Magától értetődik, hogy az ilyen torzítást elegendő mennyiségben hallják, és bár egyes B osztályú tervek ebben a tekintetben jobbak voltak, mint mások, a B osztály nem kapott sok elismerést a tiszta hang rajongóitól.

A/B Osztály

A hangfrekvenciák csőerősítője számos koncerthelyen megtalálható. Nagy teljesítmény jellemzi, ugyanakkor nem melegszik túl. Ráadásul a modellek sokkal olcsóbbak, mint sok digitális egység. De vannak eltérések is. Előfordulhat, hogy egy ilyen modul nem működik minden hangformátummal. Ezért jobb, ha a berendezést egy általános jelfeldolgozó komplexum részeként használjuk.

Az A/B osztály egyesíti az egyes eszköztípusok legjobbjait, hogy egységet hozzon létre bármelyik hátránya nélkül. Az előnyök ezen kombinációjának köszönhetően az A/B osztályú erősítők nagyrészt uralják a fogyasztói piacot.

A megoldás valójában meglehetősen egyszerű koncepció. Ahol a B osztály push-pull eszközt használ, a kimeneti fokozat mindkét fele 180 fokot vezet, az A / B osztályú mechanizmusok ~181-200 fokra növelik. Így sokkal kevesebb esély van arra, hogy a hurokban" törés " történjen, ezért a crossover torzítása olyan pontra csökken, ahol nem számít.

A Tube audio teljesítményerősítők sokkal gyorsabban képesek elnyelni ezeket az interferenciákat. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a hang sokkal tisztább a készülékből. A hasonló jellemzőkkel rendelkező modelleket gyakran használják az akusztikus és elektromos gitárok hangjának átalakítására.

Elég azt mondani, hogy az A/B osztály teljesíti ígéreteit, könnyen meghaladva a tiszta A osztályú konstrukciók hatékonyságát, a valós világban elért ~50-70% - os mutatókkal. A tényleges szintek természetesen attól függnek, hogy az erősítő mennyire elfogult, valamint a program anyaga és egyéb tényezők. Érdemes megjegyezni azt is, hogy egyes A / B osztályú fejlesztések újabb lépést tesznek előre a crossover torzításának kiküszöbölésére azáltal, hogy tiszta A osztályú üzemmódban működnek, akár több watt teljesítményig. Ez bizonyos hatékonyságot biztosít alacsony szinten történő működés esetén, ugyanakkor biztosítja, hogy az erősítő ne váljon kemencévé, ha nagy mennyiségű energiát szállítanak.

G és H osztály

Egy másik pár kialakítás, amelynek célja a hatékonyság növelése. Műszaki szempontból sem a G, sem a H osztályú erősítőket nem ismerik el hivatalosan. Ehelyett az A/B osztályú téma variációi, buszfeszültség-kapcsolással, illetve buszmodulációval. Mindenesetre alacsony igény esetén a rendszer alacsonyabb buszfeszültséget használ, mint egy hasonló a / B osztályú erősítő, ami jelentősen csökkenti az energiafogyasztást. Nagy teljesítményviszonyok esetén a rendszer dinamikusan növeli a busz feszültségét (azaz nagyfeszültségű buszra vált), hogy nagy amplitúdójú tranzienseket kezeljen.

Vannak hátrányai is. A legfontosabb a magas költségek. Az eredeti hálózati kapcsolási sémák bipoláris tranzisztorokat használtak a kimeneti áramlások szabályozására, ami növeli a komplexitást és a költségeket. Kiváló minőségű cső audio erősítők az ilyen típusú gyakoriak, bár az ár 50 ezer rubeltől kezdődik. A blokk professzionális technikának számít munkavégzéshez a színpadon vagy hangfelvétel készítése a stúdióban. Problémák vannak a tranzisztorokkal. Hosszabb terhelés esetén néhányuk meghibásodhat.

Ma az ár gyakran bizonyos mértékig csökken, ha nagyáramú MOSFET-eket használ az útmutatók kiválasztásához vagy megváltoztatásához. A terepi hatású MOSFET-ek használata nemcsak növeli a hatékonyságot és csökkenti a fűtést, hanem kevesebb alkatrészt is igényel (általában szálanként egy eszköz). A buszkapcsolás költsége mellett maga a moduláció is érdemes megjegyezni, hogy egyes G osztályú erősítők több kimeneti eszközt használnak, mint egy tipikus A / B osztályú kialakítás.

Egy pár eszköz tipikus A / B módban fog működni, kisfeszültségű buszokkal. Eközben a másik tartalékban van, hogy feszültségerősítőként működjön, csak a helyzettől függően aktiválva. Csak a nagy teljesítményű erősítőkhöz kapcsolódó G és H osztályok képesek ellenállni a nagy terhelésnek, ahol a megnövekedett hatékonyság igazolja magát. A kompakt kivitelek G/H osztályú topológiákat is használhatnak, szemben az A/B-vel, mivel az alacsony fogyasztású üzemmódra való váltás azt jelenti, hogy valamivel kisebb radiátorral is megtehetik.

D Osztály

Ez a fajta eszköz lehetővé teszi saját moduláris rendszerek létrehozását. A berendezés segítségével a teljes kimeneti áram kiváló minőségű feldolgozása történik. A hangfrekvenciás teljesítményerősítők tervezése lehetővé teszi, hogy saját multimédiás rendszert hozzon létre munka vagy szórakozás céljából. Vannak azonban árnyalatok. Gyakran tévesen digitális erősítésnek nevezik, a D osztályú átalakítók garantálják az egység hatékonyságát, ugyanakkor valós tesztekben 90-et meghaladó együtthatókat érnek el. %.

Először is érdemes rendezni azt a kérdést, hogy miért tartozik a D osztályba, ha a" digitális erősítés " helytelen. Ez csak a következő betű volt az ábécében, az audiorendszerekben használt C osztályú. Ami még fontosabb, hogyan lehet elérni a 90%+ hatékonyságot. Míg az összes korábban említett erősítőosztálynak van egy vagy több kimeneti eszköze, amelyek folyamatosan aktívak, még akkor is, ha az átalakító valójában készenléti állapotban van, a D osztályú egységek gyorsan "ki" és "Be" állapotba kapcsolják őket. Ez nagyon kényelmes, és lehetővé teszi a modul használatát csak a megfelelő pillanatokban.

Például a T osztályú hangfrekvenciás erősítők kiszámítása, amelyek a Tripath által kifejlesztett D osztály megvalósítása, az alapkészülékkel ellentétben 50 MHz-es kapcsolási frekvenciákat használnak. A kimeneti eszközöket általában impulzusszélesség-modulációval vezérlik. Ez az, amikor a különböző szélességű négyzethullámokat egy modulátor generálja, amely analóg jelet képvisel a lejátszáshoz. A kimeneti eszközök ilyen módon történő szigorú ellenőrzésével elméletileg lehetséges a 100% - os hatékonyság (bár nyilvánvalóan a Való Világban elérhetetlen).

A D osztályú audioerősítők világában megemlíthetjük az analóg és digitális vezérlésű modulokat is. Ezek a vezérlőegységek analóg bemeneti jellel és analóg vezérlőrendszerrel rendelkeznek, általában bizonyos fokú visszacsatolási hibajavítással. Másrészt a digitálisan átalakított D osztályú erősítők digitális vezérlést használnak, amely hibakontroll nélkül kapcsolja be a teljesítményfokozatot. Ez a megoldás sok vásárló véleménye szerint jóváhagyást is talál. Az árszegmens azonban itt sokkal magasabb.

Az audiofrekvencia-erősítő vizsgálata kimutatta, hogy az analóg vezérlésű D osztály teljesítményelőnnyel rendelkezik a digitális analóghoz képest, mivel általában alacsonyabb kimeneti impedanciát (ellenállást) és jobb torzítási profilt kínál. Ez növeli a rendszer kezdeti értékeit a maximális terhelésnél.

Az audiofrekvencia-erősítők paraméterei sokkal magasabbak, mint az alapmodelleké. Meg kell érteni, hogy az ilyen számításokra csak a stúdióban való zene létrehozásához van szükség. A rendes vásárlók kihagyhatják ezeket a jellemzőket.

Ez általában egy L-áramkör (induktor és kondenzátor), amelyet az erősítő és a hangszórók közé helyeznek, hogy csökkentsék a D osztályú működéshez kapcsolódó zajt. A szűrő nagy jelentőséggel bír. A rossz kialakítás veszélyeztetheti a hatékonyságot, a megbízhatóságot és a hangminőséget. Ezenkívül a kimeneti szűrő utáni visszacsatolásnak előnyei vannak. Bár azok a tervek, amelyek ebben a szakaszban nem használnak visszajelzést, beállíthatják válaszukat egy bizonyos impedanciára, ha az ilyen erősítők összetett terheléssel rendelkeznek (vagyis hangszóróval, nem ellenállással), a frekvenciaválasz jelentősen változhat a hangszóró terhelésétől függően. A visszacsatolás stabilizálja ezt a problémát, sima választ adva a komplex terhelésekre.

Végül a D osztályú elektromos hangfrekvenciás erősítők összetettségének előnyei vannak. Hatékonyság és ennek eredményeként kisebb súly. Mivel viszonylag kevés energiát költenek hőre, sokkal kevesebb energiára van szükség. Így sok D osztályú erősítőt használnak kapcsoló tápegységekkel (SMPS)kombinálva. A kimeneti fokozathoz hasonlóan maga a tápegység is gyorsan be-és kikapcsolható a feszültség szabályozásához, ami további hatékonyságjavulást és a hagyományos analóg/lineáris tápegységekhez viszonyított súlycsökkentés képességét eredményezi.

Együtt, még a nagy teljesítményű D osztályú erősítők is csak néhány kilogrammot mérhetnek. Az SMPS tápegységek hátránya a hagyományos lineáris forrásokhoz képest, hogy az előbbiek általában nem rendelkeznek nagy dinamikus margóval.

A lineáris tápegységekkel rendelkező D osztályú audioerősítők tesztjei és számos tesztje az SMPS modulokhoz képest azt mutatta, hogy ez valóban így van. Amikor két erősítő kezelte a névleges teljesítményt, de az egyik lineáris tápegységgel magasabb dinamikus teljesítményszintet eredményezhet. Az SMPS design azonban egyre gyakoribbá válik, és az üzletekben elvárható, hogy a következő generációs D osztályú egységek jobb minőségű, hasonló formákat használjanak.

Az AB és D osztályok hatékonyságának összehasonlítása

Bár az A/B osztályú tranzisztorok hangfrekvenciás teljesítményerősítőjének hatékonysága növekszik, amikor megközelíti a maximális kimeneti teljesítményt, a D osztályú kivitelek a legtöbb működési tartományban nagy hatékonyságot tartanak fenn. Ennek eredményeként a hatékonyság és a hangminőség egyre inkább az utolsó blokk javára hajlik.

Egyetlen átalakító használata

Megfelelő megvalósítás esetén a B osztályon kívüli fenti blokkok bármelyike képezheti a nagy pontosságú erősítő alapját. A lehetséges teljesítményhibákon kívül (amelyek elsősorban a tervezési döntések következményei, nem pedig az osztályban rejlenek) a blokk típusának megválasztása nagyrészt költség-hatékonyság kérdése.

A mai piacon az A/B osztályú egyszerű hangfrekvenciás erősítő dominál, Vagyis jó okból. Nagyon jól működik, viszonylag olcsó, hatékonysága pedig meglehetősen megfelelő az alacsony energiafogyasztású alkalmazásokhoz (>200 watt). Természetesen, mivel a konvertergyártók megpróbálják kibővíteni az ellátás határait, például az Emotiva XPR-1 monoblokk segítségével, 1000 wattos teljesítménnyel, G/H és D osztályba fordulnak annak érdekében, hogy elkerüljék erősítőik kettős használatát, mint olyan rendszereket, amelyek képesek gyorsan fűtő berendezések. Eközben a piac másik oldalán vannak A osztályú rajongók, akik tisztább hang reményében megbocsáthatják a készülék hatékonyságának hiányát.

Eredmény

Végül is a konverter osztályok nem feltétlenül olyan fontosak. Természetesen vannak tényleges különbségek, különösen, ha az erősítő költségéről, hatékonyságáról, következésképpen súlyáról van szó. Természetesen az A osztályú, 500 wattos teljesítményű berendezés rossz ötlet, kivéve, ha természetesen a felhasználónak erős hűtőrendszere van. Másrészt az osztályok közötti különbségek nem határozzák meg a hangminőséget. Végül a saját projektek kidolgozására és végrehajtására kerül sor. Fontos megérteni, hogy a konverterek csak egy eszköz, amely része az audiorendszernek.