Классы усилителей

Статья представляет собой частичный перевод вот этой статьи от MAXIM за авторством Роберта Николетти. Картинки взяты оттуда же.

Аудиоусилитель предназначен для увеличения амплитуды или мощности входного сигнала (впрочем описанные топологии усилителей могут применяться не только в аудиотехнике). Чем выше линейность усилителя тем точнее сигнал на его выходе повторяет сигнал на его входе, тем меньше искажений вносится усилителем. Различные требования, предъявляемые к усилителям по простоте, цене, точности, эффективности заставляют использовать различные архитектуры усилителей, речь о которых и пойдет ниже: Class A, Class B, Class AB, Class D, Class G, Class DG, и Class H.

Класс-А

Самый простой тип. Используется транзистор, включенный в цепь и работающий как линейный элемент, проводя ток сильнее или слабее в зависимости от амплитуды входного сигнала на его базе, что вызывает пропорциональное увеличение тока коллектора.

Так как транзистор может усиливать только положительные значения тока (при переходе сигнала через ноль транзистор закроется и не усилит отрицательную полуволну) то входной сигнал приходится «подтягивать»  резистором к источнику питания что бы все колебания происходили от 0 до + источника питания. В итоге когда у нас нет сигнала — транзистор все равно наполовину открыт и впустую рассеивает мощность. В итоге эта схема используется там где важна высокая точность и можно пренебречь невысокой эффективностью.

В качестве иллюстрации приведу вот этот проект человека, сделавшего усилитель для колонок на полевом транзисторе, используя его как линейный элемент. При выходной мощности порядка 5 Вт усилитель потреблял 20 Вт.

Класс B

Попытка улучшить предыдущую схему. Вместо того что бы подтягивать сигнал, расходуя энергию, для усиления одним транзистором, усилители класса В используют два транзистора:

схема также известна как push-pull, схема, «тяни-толкай» или комплиментарная пара. Один транзистор усиливает положительную полуволну, второй — с обратной проводимостью, отрицательную полуволну. При отсутствии сигнала оба транзистора закрыты и схема энергию не расходует. Но у данной схемы есть недостаток, она вносит искажения типа «ступенька» в сигнал, особенно если сигнал малой амплитуды. Дело в том, что транзистор открывается не сразу как только напряжение на базе стало чуть больше нуля, нужно, что бы напряжение было больше определенного порога. Это выглядит примерно вот так:

(картинка взята отсюда) Зеленым показан входной сигнал, красным вольт-амперная характеристика усилителя, синим — итоговый сигнал. Если мы усиливаем сигнал «бип бип» то это искажением можно проигнорировать, но если мы усиливаем музыку то искажение неприемлемо.

Наглядно анимацию работы усилителей класса В можно тут: http://falstad.com/circuit/e-pushpullxover.html (требуется ява)

Класс АВ

Попытка объединить достоинства класса А и класса В с ликвидацией их недостатков.

Усилитель класса АВ обеспечивает качество звука как усилитель класса А, а эффективность у него как у усилителя класса В. Для того что бы не было «ступеньки» особенно при малых сигналах, на вход подается смещение за счет чего мертвые зоны (см картинку с сигналами класса В) перекрываются, и для малых сигналов усилитель больше представляет собой класс А, а для сигналов большой амплитуды работает только один транзистор — класс В. Эффективность порядка 65%

Анимированно посмотреть можно тут: http://falstad.com/circuit/e-pushpull.html

Класс D

Класс D — от Digital — транзистор работает в «цифровом» — ключевом режиме, когда он только открыт, или закрыт. Это позволяет еще выше поднять эффективность усилителя.

Имеют в своем составе ШИМ модулятор, скважность выходного сигнала зависит от амплитуды входного, и транзистор — чаще всего полевой, который включает и выключает нагрузку. Если на выходе поставить сглаживающий фильтр, а частоту ШИМ выбрать достаточно высокую, то сигнал на выходе будет достаточно качественным, при КПД 90% и более. Именно усилители класса D при габаритах со спичечный коробок могут выдавать в динамики 100Вт мощности, ведь транзистор только в двух состояния — открыт и закрыт, а в открытом состоянии он рассеивает очень мало тепла при протекании через него тока.

Еще нагляднее работу усилителя класса D можно увидеть тут: http://falstad.com/circuit/e-classd.html

Класс G

Усилители класса G в целом аналогичны классу AB с той лишь разницей что используют два и более напряжения источников питания.

Когда сигнал малой амплитуды используется источник с низким напряжением, когда амплитуда сигнала растет — используется источник питания с большим напряжением. А чем меньше напряжение источника питания — тем меньше потери в линейном режиме. В портативной технике есть проблема с использованием нескольких источников питания, поэтому некоторые микросхемы используют технику накачки заряда (charge pump) для увеличения напряжения питания.

Класс DG

Аналогично усилителю класса D но с использованием нескольких напряжений источника питания

Смысл тот же — повысить эффективность минимизировав потери за счет использования источника питания с низким напряжением когда амплитуда сигнала невысока.

Класс H

Дальнейшее развитие концепции усилителей класса G, переход от нескольких переключаемых источников питания к источнику питания с плавной регулировкой напряжения, для минимизации потерь на усилителе класса AB.

Усилитель класса H не такая простая штука, так как усилителю нужно уметь предугадывать примерную амплитуду сигнала в следующий момент времени, что бы успеть подстроить источник питания на нужное напряжение, или иметь очень быстрый в настройке источник питания.