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

image

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

Пример характеристики на рисунке ниже.

image

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.

image

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.

image

Класс B


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

image

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

image

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.

image

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).

image

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

image

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).

image

Усилитель класса H

image

Усилитель класса G

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

Спасибо за внимание.
Поделиться публикацией
Комментарии 60
    0
    Welcome. Статья показалась интересной. Пригласил. Ждём продолжения.
    Собственно по классификации по рабочей точке литературы много, всё более менее понятно. А вот поподробнее почитать про классификацию по режиму работы и мне было бы интересно!
    +1
    Я свою первую статью тоже делал об усилках ровно семь лет назад без одного месяца)

    habr.com/post/133035

    Вот для портативных устройств лучше класс D — кпд уж очень хорош. Я на классе А почти поджег рюкзак, соотвественно работал он от аккумулятора очень недолго.

      0
      Тема вечная. Но для носимых устройств конечно класс А это нонсенс! А теплым ламповым звуком случайно не увлекались?
        +1
        Увы. Только переносным, когда хотелось повеселить компанию чем-то необычным.
          0
          Ламповый переносной! Это круто. На этой площадке любят такую экзотику!
            +1
            Приёмник «Турист», две батареи, три напряжения питания…
      +7
      Тем не менее — автору следует подтянуть:
      • Технический русский.
      • Общую электротехнику-электронику.
        Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ)
        — шта-а-а?
      • И аудиотехнику — что-бы классификация была более стройной. A, AB, B, G и H, очевидно, должны попадать в одну группу первого уровня — по линейному режиму работы с недопущением либо отсечек, либо насыщений, либо того и другого.
        +5

        Ну раз уж вы автора упрекнули за язык, замечу, что «чтобы» пишется слитно.

          –1
          Ахъ! Уел! ;-) Мое кредо — «про запятые можешь ты не знать, но правильно писать слова — обязан!»
          Всё равно — спасибо.
          +5
          Угу. А еще у него мертвое время — главный виновник искажений.
          «Кто умеет — делает, кто не умеет — учит...»(С) (кому принадлежит высказывание?)
          Уж извините меня такого вредного и противного, самодельные усилки — это конечно приятные воспоминания, но эта статья маленькая, пустая, с ошибками как грамматическими так и фактологическими — как она могла набрать высокий рейтинг?
            +5
            Ну потому что на фоне маркетинговой чепухи, коей полнится хабр, любая статья про железо выглядит как дар богов, вне зависимости от наполнения.
            +1
            Это не очевидно, но LC фильтр будет обладать небольшой нелинейностью, при протекании больших токов. Дополнительную нелинейность будет вносить наведенное рассеиваемое магнитное поле индуктивности. И безусловно искажения будут большими у индуктивности с магнитопроводом.
              0
              Вот если-бы ТС это сказал, то это хоть как-то подтвердило его право писать tutorial's… Или хоть расшифровал своё утверждение для недопущения толкований о том, какие искажения он имеет в виду — внутренне свойственные индуктивностям и ёмкостям сдвиги по фазе тока и напряжения или именно нелинейные.

              По сути замечания — все причастные к аудиостроению достаточно извещены о нелинейностях катушек с магнитными сердечниками и о пьезоэффектах керамических конденсаторов. Поэтому и применяют катушки без сердечника и плёночные/бумажные конденсаторы.
              0
              Элементы l и С влияют на фчх. Вот вам и нелинейные искажения.
              С остальным согласен.
                0
                Элементы l и С влияют на фчх. Вот вам и нелинейные искажения.

                Да, влияют. Нет, это не нелинейные искажения. См. комментарий от 25.10.18 в 12:18.
              0

              моЩность

                +1

                «В следующей публикации мы рассчитаем и соберём усилитель класса А.»
                А «мы» это кто?
                И зачем нам рассчитывать усилитель на Хабре, если это было доходчиво описано ещё в учебниках несколько десятков лет назад?
                Да и в гугле можно спокойно найти кучу однообразной информации на эту тему.

                  +3
                  Многие вещи в статье не объясняются а даются как данность, в особенности про класс Д.
                  Есть неплохое видео, рассказывает больше:
                    0

                    а где классы f и ht? заявлены в начале но не описаны

                      –5
                      Интересно подробности и схемотехнические решения.
                      Особенно интересно класс G и H как наиболее перспективные.
                      Класс D годится только для сельских дискотек и то с большой натяжкой.
                        +2

                        Современные решения Класса D ничуть не хуже AB.

                          –4
                          Это в теории…
                          А на самом деле слышали, ломали и знаем.
                          Усилки класса АВ тоже в основном хлам редкостный. Очень мало моделей которые приятно слушать. Так вот D и им в подметки не годится.
                            +2
                            Бгг :)
                            Это как раз из практики.
                            Я неоднократно проводил тесты на аудиофилах и студентах консерватории (вот уж у кого дороже быть хороший слух), в общей сложности опытов было 14 штук по 3-5 человек на каждом, на акустике Bose и с лосслес источником звука, а вот усилки переключал ровно 3 раза — иногда D, tripath, AB; иногда AB, AB и D (или Tripath).

                            Так вот — ни один человек правильно не угадал что и когда играло.

                            Отсюда все это — плацебо и самовнушение и ничего более.

                            Из опытов, кстати, и выяснилось, что Tripath очень всем нравится, даже больше ABшного усилка стоимостью более 3к$. А Tripath, иногда называемый классом T — это на самом деле подкласс D.

                            Ну и подводя итог — нелюбовь аудиофилами класса D — это из цикла бескислородной меди, обернутой туалетной бумагой для «мягкости звука» (дословная цитата с одного из аудиофильских форумов), прогрева наушников и специальных ножек для колонок и т. д.
                              –2
                              Ну мне доволилось ломать дешевые усилки класса D для озвучки кабаков, караоке и всякого подобного рода мероприятий. Может есть и модели поприличнее. Послушаю как будет возможность.
                              А еще обычные домашние усилки, ресиверы для систем 5,1 которые AB
                              Так вот там нет никакой речи об аудиофилии и «тонких материях».
                              Искажения такие, что просто ппц. Заряжаем допустим Жан Мишель Жара электронную музыку. Материальчик так себе, без изысков. Так вот на нем, некоторые транзисторные усилки умудряются полностью потерять некоторые эффекты! Или исказить их до неузнаваемости. То есть идет потеря материала!
                            0
                            Полностью с вами согласен.
                            +1

                            Готов поспорить, что в слепом тесте Вы не отличите современный усилитель класса D от "православных" A, AB и B.


                            А если это будет Tripath, то вы ещё и ламповым его назовете :)

                              –2
                              С удовольствием поучаствую в таком мероприятии.
                              Только сравнивать будем не «что сейчас играет», а отмечать на бумажке что и как слышно или не слышно. А потом это привязывать к тому что играло.
                              А еще для проведения таких тестов нужна хорошая мониторная акустика. Не «аудиофильская» а именно честная мониторная с ровным звучанием без украшательств.
                              Ну и источник звука само собой честный.

                              Мониторная акустика с точки зрения аудиофила звучить отвратительно. Зато на ней можно разобрать все нюансы.
                                –1
                                На самом деле там был опросный лист из 3 пунктов после каждого прослушивания:
                                1. оценить качество воспроизведения от 1—5
                                2. что за тип играл цифра или аналог
                                3. на сколько раскрыта композиция

                                по п1 и п3 победил T

                                А что до мега дешевых усилков — так это вообще не мерило ни D ни чего либо другого.
                                  +1
                                  Вот-вот.
                                  Если не правильно проводить тестирование, то никто ничего и не заметит. А потом можно на каждом углу кричать что разницы нет.
                                  Чтобы уловить разницу между усилками, кроме всего прочего (о чем я писал выше), слушателям надо знать на что имено обратить внимание. И материал должен быть подходящим.
                                  Аудиофилы это вобще существа мифические и загадочные. Они серебряные провода квадратного сечения в безлунную ночь слушают :)
                                  А студенты консерватории будут слушать ноты. Не сфальшивил ли кто.
                                  Так усилки сравнивать совершенно бесполезно!
                                    –1
                                    Тестирование как раз было правильным.

                                    Знаете как говорят — нормальный человек слушает музыку, а аудиофил — АЧХ.
                                    Главное как играет — нравится или нет — остальное вторично.

                                    К тому-же кто как не музыканты знает как классика звучит в оригинале.

                                    Именно по-этому в опроснике ничего нет про акцентирование, т. к. это — лютый бред.
                                    А вот музыка подбиралась так, чтобы там были как хорошо известные тестируемым произведения, так и абсолютно им неизвестные. И вопрос был именно к ощущениям.

                                    Слушайте музыку, а не железо — вот тогда аудиофильские бредни про класс D не будете писать.
                                      +1
                                      Так вот и сравнивайте тогда в тесте музыку раз Вы именно ее слушаете.
                                      Нравится она или нет.
                                      А если сравниваете аппаратуру, то надо слушать именно ее особенности.
                                      Проведите тест среди тех кто работает с аудио (звукорежиссеры, звукооператоры) и сразу все всё услышат и расставят по местам.

                                      Да и на классике услышать усилок сложно.
                                      Транзисторные усилки «сыпятся» на сложном, шумоподобном сигнале.
                                      Включите хеви метал и попросите оценить разборчивость партии каждой гитары, ее места в картине и особенностей звукоизвлечения. И сразу будет заметна разница!
                                        –1
                                        Вы комментарии мои читаете вообще? :) — походу нет.

                                        Люди и сравнивали музыку и свои ощущения, а менял аппаратуру я как раз чтобы исключить ее влияние. Собственно что и было подтверждено — от класса усилителя ничего не зависит, кроме небольшой флуктуации с T.

                                        Про классику это пять, можно разговор заканчивать :)
                                        Советую послушать разную классику прежде чем такое писать.
                                          +1
                                          > Так вот — ни один человек правильно не угадал что и когда играло.

                                          Значит таки задавали вопрос про аппаратуру. Противоречите сами себе.

                                          Если уж любите классику, включите большой хор и попросите оценить сколько голосов в хоре слышно, где какой находится. И сравните результат на разной технике. Не надо угадывать что сейчас играет :)
                                            –1
                                            Значит таки задавали вопрос про аппаратуру. Противоречите сами себе.

                                            Не противоречу — просто объясняю простыми понятными словами, без подробностей. Окей, объясню посложней, на примере.

                                            Приходит условно аудиофил, который считает, что только лампы «могут».

                                            Играет T.
                                            Отвечает в вопроснике: 5 4 4

                                            Играет AB: 4 4 4

                                            Играет T: 4 5 5

                                            Развязываем повязку, забираем листок.
                                            Спрашиваем как что? Он говорит что точно ламповый играл в 1 и 3 раз, показываем его бумажку, что когда играло, ржем.

                                            Другой:

                                            Играет AB: 3 3 2

                                            Играет D: 5 5 4

                                            Играет AB: 3 3 3

                                            Развязываем глаза, забираем бумажку, спрашиваем как?
                                            Отвечает что 1 и 3 раз куча искажений, звук го-но, точно был D! Ржем.

                                            И это самые простые варианты, некотрым подряд 3 раза D ставили и звук им нравился. :D

                                            Надеюсь так понятней стало, откуда моя фраза? :D

                                            И на самом деле все равно что там в хоре сколько голосов, или сколько там барабанов играет. Еще раз — Вы слушаете музыку, а не инструменты или технику с ее АЧХ или что-то по отдельности. И именно это надо оценивать, а не то, че там где тарелочки слышно, а где саббасс и сибилянт. музыка — это комплекс всего этого.
                                              0
                                              Там где больше голосов, инструментов или тарелочек я слышу, тем богаче музыка, тем интереснее слушать в том то и фишка.
                                              Для этого и нужна качественная техника. Чтоб получить больше удовольствия.

                                              Ну а слушать «кашу» это не интересно.
                                                –1
                                                И именно это надо оценивать, а не то, че там где тарелочки слышно, а где саббасс и сибилянт.


                                                Вам, видимо, надо было оценивать именно это, а ваш партнер по треду хочет именно объективных характеристик железа.

                                                Это ложная дихотомия — скажем, у меня для работы мониторные наушники с достаточно плоской АЧХ, а для души (== bass music) китайские IEM с люто-бешено-V-образной АЧХ.

                                                  –1
                                                  Дак ноу проблем — объективные характеристики железа есть — это АЧХ. Сравнить два сигнала — до и после усилка — нет проблем.
                                                  Только вот класс D по АЧХ никому не проигрывает :)
                                  0
                                  Возможно А от D отличу, при условии что будет высокочувствительная акустика. Но AB от D вряд ли.
                                  +1
                                  Открою вам страшную тайну — многокиловаттные сценические усилители прокатных компаний — внезапно — работают в классе D. Потому что электричество денег стОит, а за концерт его, этого электричества, уходит реально много.
                                    –1
                                    Вот какраз с такими усилками иногда приходится сталкиваться. Сценические усилки киловат на 5. И открою еще одну тайну. Хорошие усилки такого рода делают не D. А какраз таки гибридные где на выходе AB, а питание его регулируется ШИМ. Так достигают и качество и экономию энергии.
                                    Усилки класса D может и применяют для музыки «бум-тыц». А для рок концерта используют устройства поприличнее. Иначе качество будет ниже плинтуса.
                                    +1
                                    Как обладатель скромной акустики Edifier R2800 вынужден с вами не согласиться. Вполне достойный звук за свои деньги.
                                    +1
                                    Если говорить о напряжении питания, тогда можно вспомнить и о мостовых схемах.
                                      +3

                                      Статья вкратце:
                                      Давайте мельком пробежимся по типам усилителей и резко сделаем неочевидный вывод.
                                      Можно было просто дать ссылку, например, на Хоровица с Хиллом — у них более познавательно, хотя бы различия в кпд разных классов даны

                                        +5
                                        Они вознакают из-за способа модулятции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.
                                        Это «окно» не влияет на искажения, сама модуляция ШИМ источник всех искажений, но только при условии плохого проектирования усилителя(в основном выходной каскад и разводка питания)

                                        Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).
                                        Если вы про выходной каскад, то как раз наоборот: LC-фильтр преобразует ШИМ в аналоговый сигнал, и от качества его изготовления зависят очень многие параметры усилителя.
                                          0
                                          Почему это deadtime не влияет на искажения?
                                            0
                                            Потому что двуполярный ШИМ работает не так как показано в статье.
                                            Заголовок спойлера
                                            По сути, в одно время работает либо верхнее, либо нижнее плечо, в зависимости от направления сигнала, одновременно они никогда не работают, поэтому deadtime ни на что не влияет.
                                            image
                                              0
                                              Есть интересная микросхема IRS2029 — у нее всегда двухполярный шим кроме крайних положений (см. приложение, кстати deadtime там не видно потому что он очень маленький).
                                              Deadtime слабо влияет на искажения потому что все переключения транзисторов происходят на частотах около 500кГц, а участок когда выключены оба транзистора такой же квадратный как импульсы в плюс и минус, поэтому на звук влияют и deadtime и импульсы. Только вот LC фильтр на выходе очень хорошо чистит все что после 40кГц и снижение амплитуды сигнала частотой 500кГц составляет около -25дБ (с фильтром второго порядка с одной катушкой и одним конденсатором), поэтому его влияние на обычный звук (до 16кГц) практически невозможно понять на слух.

                                              приложение
                                              image
                                              image
                                          +1
                                          Идёт такое повествование, идёт, описываются преимущества G и H, что экономят энергию, высокий КПД. И вдруг бац, вывод, они непригодны. С чего вдруг?
                                            0

                                            У меня дома полочники приятно озвучиваются D-классом. А статья звучит как будто ее из книжки пятидесятилетней давности написали.

                                              0
                                              Ничего не имею против класса D. Спасибо за комментарий.
                                              0
                                              H и G как я понял это вариации D класса
                                              еще помнится были усилители с двумя двуполярными питаниями, но полностью аналоговые
                                              про них забыли.
                                              а Класс А я прилично играющий в принципе не встречал
                                                0
                                                H и G как я понял это вариации D класса. еще помнится были усилители с двумя двуполярными питаниями, но полностью аналоговые про них забыли.

                                                Нет. G и H — как раз линейные с двумя двуполярными питаниями. При увеличении выходного сигнала питание выходного каскада увеличивается, что-бы его транзисторы оставались в линейном режиме и не было ограничения сигнала «сверху».
                                                  0
                                                  Прилично играющий класс А сожжёт проводку, потому что кипятильник. КПД, как у паровоза Черепанова
                                                  +2
                                                  Класс А как то по быстрому и однобоко описали…
                                                  Мой первый усилитель был из набора, которые при СССР активно продавали. Там усилитель работал в режиме А, он был двухтактный — это нужно было обязательно упомянуть в статье. А то режим В — двухтактный, а режим А как то не уточнили. Ток покоя выходного каскада был пол Ампера! Я всё тогда голову ломал зачем такой перерасход энергии.
                                                  Режим А — самый неэкономичный, но, в случае транзисторной схемотехнике, — самый ближайший к «тёплому ламповому». Потому что лампы в этом режиме и работают. Это тоже надо было упомянуть.
                                                    0
                                                    Лампа в классе А работает только в советских ламповых телевизорах. Приличные ламповые усилители еще с середины прошлого века делают двухтактными
                                                    +1
                                                    А как можно понять в каком классе выполнен тот или иной готовый бытовой усилитель? Еще в 80е производители придумывали всякие «New Class A», к А классу не относящиеся, думаю сейчас маркетинг еще наглее), в инструкциях прямо не указывают. По соотношению максимальная мощность/потребляемая мощность?

                                                    Где-то слышал, что основная масса советских транзистроных усилителей (кроме встроенных) это класс AB, так ли?
                                                      0
                                                      Да. По кпд самый лучший вариант.
                                                      +1
                                                      А мне звук цифровых усилителей с технологией PurePath™ HD очень понравился. По ощущениям контроль динамика очень хороший
                                                        +1
                                                        The TAS5614A is a high performance digital input Class D amplifier with integrated closed loop feedback technology (known as PurePath™ HD) ...
                                                        Проще говоря — это усилитель D-класса с обратной связью. Ничего нового, только красивое название.

                                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                      Самое читаемое