Усилители класса А. Предварительные, маломощные каскады усиления напряжения и (или) тока не потребляют много электроэнергии и строятся поэтому с использованием самого простого, распространенного и хорошо понятного подхода. При этом все активные элементы схемы (т. е. транзисторы или лампы) потребляют от источника питания максимальный ток, независимо от того, присутствует ли на входе и выходе усилителя полезный сигнал. Усилители с таким режимом работы называют усилителями «класса А».
Классы усилителей мощности
Усилитель класса А обеспечивает наиболее высокое качество звуковоспроизведения и широко используется во всех каскадах современных ламповых усилителей, претендующих на категорию Hi-End. Недостатком усилителей класса А является низкий КПД: обычно не более 10 %.
Это значит, что усилитель с выходной мощностью 50 Вт будет непрерывно потреблять от домашней сети 500 Вт электрической мощности. Вся мощность, не преобразованная в звуковые колебания, выделяется на компонентах усилителя (транзисторы, лампы, резисторы и т. д.) в виде тепла. Стереофонический усилитель класса Л с мощностью по 50 Вт на канал превращается по своей тепловой эффективности в электроплитку или электрокалорифер.
По этой причине усилители класса А часто проектируют с мощностью не более 10 Вт на канал. Выходной каскад, работающий в классе А, содержит единственный активный элемент. Поэтому такой выходной каскад часто называют однотактным. Иногда для увеличения выходной мощности в однотактных усилителях применяют 2 или 3 одинаковых элемента, соединенных параллельно.
В усилителе с выходным каскадом, работающим в классе А, через выходную лампу или выходной транзистор постоянно протекает максимальный ток. При подаче полезного сигнала на вход этого каскада (сетка лампы, затвор или база транзистора) электрические характеристики активного элемента изменяются. Это приводит к перераспределению тока, потребляемого от источника питания, между выходным каскадом и подключенным к нему громкоговорителем.
Усилитель класса В
Поскольку в усилителе мощности основная мощность потребляется оконечным каскадом, изменяя режим работы этого каскада, можно значительно уменьшить общую потребляемую мощность. Такой подход применяется для построения двухтактных усилителей.
В выходном каскаде двухтактного усилителя содержится минимум два активных элемента, один из которых усиливает только положительную, а второй — только отрицательную компоненты входного сигнала.
В таком каскаде при отсутствии сигнала ток через выходные транзисторы или лампы вообще не протекает. Двухтактный каскад наиболее легко реализуется с помощью транзисторов с разным типом проводимости (электронного и дырочного типа). Пару идентичных по характеристикам, но различных по типу проводимости транзисторов называют комплементарными.
К сожалению, комплементарных пар ламп не существует, так как все лампы используют исключительно электроны, в отличие от полупроводниковых приборов, где возможна т. н. дырочная проводимость за счет направленной миграции вакансий в электронной подсистеме кристалла.
Поэтому реализация двухтактного каскада на лампах требует применения специальных выходных трансформаторов с симметричными обмотками. Усилитель с двухтактным выходным каскадом, работающим в указанном режиме, называют усилителем «класса В». По-английски двухтактный усилитель называют «push-pull amplifier» (буквально — «тяни-толкай»).
Усилители класса АВ
Разновидность усилителя класса В с небольшим (менее 10 % от максимального) начальным током выходного каскада для уменьшения искажений называют усилителем «класса АВ». К этому классу относится подавляющее большинство всех промышленных транзисторных усилителей, а также ламповых усилителей мощностью более 20 Вт.
Типичное значение КПД усилителя класса В или АВ составляет примерно 50 %. То есть, усилитель, отдающий в нагрузку 50 Вт мощности, потребляет 100 Вт от домашней сети. Подчеркнем: в момент появления сигнала. При отсутствии сигнала и при его малых значениях потребляемая мощность задается током покоя выходных элементов и может составлять от 1 до 10 % от максимальной полезной мощности. Таким образом, двухтактные усилители класса В или АВ оказываются намного экономичнее усилителей класса А.
Двухтактный выходной каскад при высокой симметрии «плеч» обеспечивает подавление в выходном сигнале четных гармоник. Это существенно понижает общий коэффициент нелинейных искажений по сравнению с однотактными усилителями. Снижение уровня гармоник происходит, главным образом, за счет подавления второй гармоники, доминирующей обычно в спектре искажений «однотактников». Иногда в двухтактных усилителях класса АВ используют большое значение тока покоя, переводя усилитель в класс А для малых сигналов, соответствующих выходной мощности около 1 Вт.
Многие эксперты отмечают особую важность качества «первого ватта» для повышения естественности звуковоспроизведения. Важность первого ватта связана с тем, что при типичной чувствительности головки громкоговорителя на уровне 90 дБ/Вт мощности в 1 Вт достаточно для комфортного прослушивания негромкой (камерной, джазовой) музыки. В рекламных целях некоторые производители объявляют усилители такого типа усилителями класса А, что не совсем верно, если не уточняется до какого уровня мощности действительно сохраняется режим класса А.
Усилители класса D,G,H,T
Существуют и другие классы усилителей, предназначенные для усиления звука с максимально возможным КПД. Они обозначаются буквами D, G, Н, Т. В высококачественной аппаратуре такие типы усилителей не используются.
При этом некоторые из них могут иметь объективно высокие параметры (например, низкое значение коэффициента нелинейных искажений). Усилители класса Н в виде мощных интегральных схем используются в некоторых конструкциях автомобильных сабвуферов. Усилители класса D используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ): преобразование сигнала на входе в последовательность коротких импульсов различной длительности и обратное восстановление на выходе усилителя.
Несколько лет назад появились ШИМ-усилители с обозначением «класс Т» в виде мощных интегральных схем и были разрекламированы как высококачественные системы. Автор этой книги приобрел такой усилитель. При напряжении питания 12 В усилитель отдавал в нагрузку до 10 Вт мощности, рассеивая на корпусе микросхемы всего 1 Вт (т. е. КПД около 90 %!). Однако звучание усилителя качественным назвать нельзя: при прослушивании создается впечатление, что кроме музыки в помещении непрерывно работает распылительный аэрозольный баллончик.
Мостовые усилители
Для повышения мощности (в 2—4 раза) при неизменном напряжении источника питания иногда применяют мостовое включение двух полноценных усилителей. В этом случае на вход каждого усилителя подаются в противофазе две полные копии входного сигнала, а на нагрузке выходные напряжения складываются, что и обеспечивает в идеале 4-кратное увеличение выходной мощности. Для формирования двух противофазных копий входного сигнала требуется дополнительный каскад. В мостовом усилителе так же, как и в двухтактном выходном каскаде, подавляются четные гармоники.
Мостовые усилители широко используются в автомобильной аудиотехнике, позволяя получать до 50 Вт выходной мощности на нагрузке 2—4 Ом при напряжении питания 14 В. По мнению автора этой книги, сфера применения мостовых усилителей не должна ограничиваться низковольтными устройствами. Мостовые усилители хорошо звучат, и достигается это, по-видимому, не столько за счет снижения уровня четных гармоник, сколько из-за исключения связи силовой «земли» с нагрузкой. В мостовой схеме катушка громкоговорителя подключается непосредственно к двум «горячим», т. е. «неземляным» клеммам каждого из усилителей. Как известно, гальваническая связь сигнальной и силовой «земли» порождает помехи, связанные с воздействием переходных процессов на выходе усилителя на форму сигнала на его входе.
Обратная связь
В абсолютном большинстве транзисторных усилителей достижение высоких объективных (т. е. измеряемых с помощью электронных приборов) характеристик (не звучания, а именно характеристик) достигается применением глубокой общей отрицательной обратной связи (ООС), охватывающей полностью усилитель мощности с входной чувствительностью около 1 В. Альтернативный подход, сторонником которого является и автор этой книги, состоит в отказе от общей ООС в аудиоусилителях. Поэтому, кроме классификации по режиму работы оконечного каскада (класс А, В, и т. д.), усилители классифицируют еще и по наличию-отсутствию общей ООС.Все рекомендуемые ламповые каскады работают в классе А. А вот для оконечных транзисторных каскадов будут предложены варианты как класса А, так и класса АВ.
