Усилители звука. Некоторые параметры и классы. Часть II

Усилитель – электротехнический прибор, преобразующий постоянное напряжение блока питания под управлением линейного сигнала в сигнал заданного уровня. По элементной базе усилители можно разделить на:

• Ламповые

• На биполярных транзисторах

• На полевых транзисторах

• На интегральных операционных усилителях

• На дискретных элементах.

Блоки питания могут быть как встроены в усилитель, так и исполнены в отдельном корпусе. В большинстве усилителей используется встроенный блок питания. Это позволяет сэкономить место и время. Однако, внешние блоки питания, несмотря на некоторые неудобства, имеют свои преимущества. Монтаж в отдельном корпусе позволяет минимизировать вредное влияние электромагнитного излучения блока питания на линии сигнала усилителя. Усилители часто работают в довольно напряжённом тепловом режиме. Поэтому добавка от трансформатора вовсе не нужна. Правда, вынужденно прибавляются лишние силовые кабели, но иногда с этим приходится мириться.

Ламповые усилители имеют весьма ограниченное применение. В основном в системах Hi-End. Полевые транзисторы по характеристикам и применяемой схемотехнике схожи с лампами. И применяются аналогично. Оба этих типа усилителей отличаются передаточной характеристикой, близкой к линейной или квадратичной. Как следствие – в спектре выходного сигнала отсутствуют чётные гармоники и обеспечивается быстрый спад амплитуд высших гармоник. Ещё одно следствие – возможность применения неглубокой обратной связи, или даже вовсе от неё отказаться (мечта аудиофила). Сходство ламповых и полевых транзисторных усилителей настолько велико, что последние иногда называют «с пентодным звуком».

Для массового производства применяются относительно недорогие биполярные транзисторы. На их основе изготавливаются самые распространённые усилители класса AB, являющихся гибридом классов А и В. Приборы класса А отличаются непрерывным режимом работы транзистора, то есть транзистор должен одновременно и пропускать значительные токи, и работать в качестве резистора, рассеивая избыток сигнала в тепло. Отсюда – крайне невысокий КПД и существенный нагрев, однако небольшие искажения и высокое качество звука. В усилителях класса В используются по два транзистора на каскад: для усиления положительных и отрицательных амплитуд отдельно. Результат – высокий КПД и худшее, по сравнению с классом А, качество звука. Усилители гибридного класса АВ при небольших мощностях сигнала работают по режиму класса А, при больших – по классу В. Приемлемые КПД и качество сигнала обеспечили им возможность широкого использования.

Усилители класса D имеют дело с импульсным (цифровым) сигналом. Поэтому транзисторы в них работают только в режиме ключа (открыт/закрыт), что минимизирует нагрев и приближает КПД к 100%. Качество их работы зависит больше от качества цифро-аналоговых преобразователей.

Интегральные операционные усилители усиливают сигналы как переменного, так и постоянного тока. Имея два дифференциальных входа, усиливают разницу между ними. Операционные усилители имеют ряд ограничений, заложенных уже технологией их производства, поэтому, непосредственно для усиления звука они не оптимальны, однако широко используются, в частности, в активных ресиверах.

Усилители на дискретных элементах – в общем, те же интегральные операционные усилители, но с более тщательным изготовлением и подбором компонентов. Что и приводит к хорошим результатам.

По выходным параметрам, достаточно условно, можно разделить на:

• Усилители напряжения

• Усилители тока

• Усилители мощности.

Условно, потому что любой усилитель изначально является усилителем мощности. Для усиления звукового сигнала используются усилители напряжения, главным образом, из-за низкого выходного сопротивления (даже у ламповых).

По распределению функций:

• Полный (интегрированный) усилитель

• Предварительный усилитель

• Оконечный усилитель (усилитель мощности)

Интегрированный усилитель предназначен для преобразования линейного сигнала от источника в сигнал с параметрами, достаточными для акустической системы, исполненный в отдельном корпусе.

Предварительный усилитель «готовит» сигнал для входа усилителя мощности, то есть до уровня порядка 1 В. Уровни сигнала от различных источников могут существенно различаться, предварительный усилитель приводит их в стандартную форму. Кроме того, их наличие необходимо для использования активных кроссоверов и активных акустических систем. Желательна при этом возможность регулировки уровня звукового сигнала на выходах усилителя. В качестве предварительных, в подавляющем большинстве случаев, используются усилители класса А.

Усилитель мощности предназначен для адаптации сигнала к пассивным акустическим системам.

Такое разделение обусловлено, в основном, тем, что мощные профессиональные усилители имеют, как правило, именно такую блочную структуру. Пока что, высококачественная электротехника не умещается на ладони, как ни крути. Да и акустические комплекты, как правило, включают и активные, и пассивные компоненты. Поэтому интегрированный усилитель не всегда подходит. Разделённая на несколько приборов в отдельных корпусах усилительная схема выгодна в части уменьшения взаимовлияния каскадов друг на друга, облегчения их охлаждения.

Любопытное свойство любых усилителей – способность создавать вредный собственный шум. Под собственным шумом понимают генерацию электрического сигнала на выходе усилителя при отсутствии сигнала входного. Причины возникновения шумов разнообразны:

• Тепловые шумы – флюктуационная (случайная, хаотичная) помеха без выраженной периодичности, возникающая из-за хаотичного теплового движения свободных электронов в пассивных элементах и цепях усилителя. Основная составляющая тепловых шумов обусловлена нагревом входной цепи усилителя: возникающие в ней шумы будут усилены всеми его каскадами. Эффективные способы борьбы с тепловыми шумами – снижение входного сопротивления усилителя и хорошее охлаждение элементов и цепей.

• Фоновые шумы – переменное напряжение на выходе усилителя с частотами, кратными частоте подаваемого на усилитель напряжения питания. Фон можно уменьшить применением качественно сглаживающих пульсации выпрямленного напряжением фильтров, использованием стабилизаторов, экранированием цепей усилителя, отрицательной обратной связью и т.д.

• Транзисторные шумы, связанные с неравномерностью процессов производства и рекомбинации зарядов в базе, дробовой шум p-n переходов, шумы, порождаемые токами утечки на поверхности p-n переходов (фликкер-шум).

Практически все указываемые для усилителей параметры, так или иначе, связаны с уровнем искажений. А что это за искажения такие?

• Нелинейные искажения. Появление нелинейных искажений вызвано нелинейностью характеристик, как отдельных элементов усилителя, так и системы в целом. Просто говоря – присутствие в выходном сигнале усилителя составляющих, которых не было во входном. Несоответствие входного и выходного сигналов характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник). Измеряется в процентах. Значение этого коэффициента, само по себе, не говорит ни о чём – только в привязке к мощности или величине диапазона воспроизводимых частот (например). И ограничение этого параметра просто характеризует требования к качеству оконечного сигнала.

• Частотные искажения. Количественно характеризуются коэффициентом частотных искажений, то есть отношением уровней входящего и выходящего сигналов (коэффициент усиления) на средних частотах к значению коэффициента усиления на данной частоте. Характеризует неравномерность амплитудно-частотной характеристики усилителя.

• Фазовые искажения – искажения, вызванные фазовой неоднородностью разных передаваемых частот. Лучше всего ориентироваться на фазо-частотную характеристику.

• Динамические искажения – искажения, вызванные ограниченной скоростью нарастания напряжения усилителя. Выходной сигнал просто не успевает за изменениями входного.

Все указанные выше коэффициенты могут быть указаны в виде процентов, в сотых долях или в децибелах.