Классы аудиоусилителей (A, A / B, D, G и H): в чем различия?

1. Класс А
2. Класс б
3. Класс A / B
4. Класс G & H
5. Класс D
6. Один усилитель, чтобы управлять ими всеми?

Первоначально опубликовано: 20 апреля 2014 г.

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификацию усилителя, вы могли заметить, что это класс усилителя. Обычно обозначаемые буквой или двумя, наиболее распространенные классы усилителей, используемые сегодня в потребительском домашнем аудио, - это класс A, A / B, D, G и H. Эти классы представляют собой не простые системы классификации, а описания топологии усилителя, то есть как они функционируют на уровне ядра. В то время как каждый класс усилителей имеет свой набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оцениваются конечные характеристики) остается неизменной: усиливать форму волны, посылаемую ему предварительным усилителем, без внесения искажений или, по крайней мере, как можно меньшего искажения. , Так что же означает наш алфавитный суп из классов усилителей? Продолжайте читать, чтобы узнать, но сначала посмотрите наше недавно добавленное видео обсуждение на YouTube!

Классы усилителей YouTube Обсуждение

Мы собираемся обсудить, как усилители ведут себя через сигналы, поэтому базовая диаграмма синусоиды показана ниже.

Синусоида - полная длина волны составляет 360 градусов

Класс А

По сравнению с другими классами усилителей, которые мы рассмотрим, усилители класса A являются относительно простыми устройствами. Определяющим принципом работы класса A является то, что все выходные устройства усилителя должны проходить через полный 360-градусный цикл сигнала. Класс A также можно разделить на одноконечные и двухтактные усилители. Push / pull отличается от основного объяснения выше, используя устройства вывода в парах. В то время как оба устройства проводят полный 360-градусный цикл, одно устройство будет нести большую часть нагрузки в течение положительной части цикла, а другое - больше отрицательного цикла; Основным преимуществом этой схемы является уменьшенное искажение по сравнению с одноконечными конструкциями, так как четные гармоники порядка исключаются. Кроме того, двухтактные конструкции класса А менее подвержены гудению; Односторонние конструкции, как правило, требуют особого внимания к источнику питания, чтобы смягчить эту проблему.

Простая диаграмма класса A (слева; предоставлено sound.westhost.com ) и мощный усилитель класса A Pass Labs XS150 (справа).

Из-за положительных атрибутов, связанных с работой класса A, во многих аудиофильских кругах он считается золотым стандартом качества звука. Однако есть один важный недостаток этих конструкций: эффективность. Требование, предъявляемое к конструкциям класса А, чтобы все выходные устройства проводили постоянно, приводит к значительным потерям мощности, которая в конечном итоге преобразуется в тепло. Это еще более усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель выдает нулевой выход. Показатели эффективности в реальном мире могут составлять порядка 15-35%, при этом возможно использование однозначных цифр с использованием высокодинамичного исходного материала.

Класс б

В то время как все устройства вывода в усилителе класса A проводят 100% времени, в усилителях класса B используется двухтактная схема таким образом, что только половина устройств вывода проводит в любой момент времени: одна половина покрывает + 180-градусная часть формы волны, в то время как другая покрывает сечение -180 градусов. Как следствие, усилители класса B значительно более эффективны, чем их аналоги класса A, с теоретическим максимумом 78,5%. Учитывая относительно высокую эффективность, класс B использовался в некоторых профессиональных усилителях звукоусиления, а также в некоторых домашних ламповых усилителях.

Несмотря на их очевидную силу, шансы хороши, вы не увидите слишком много чистых усилителей класса B. Причина этого известна как искажение кроссовера.

Искажения кроссовера, влияющие на простую синусоидальную волну; Изображение предоставлено sound.westhost.com.

Как видно на изображении выше, искажение кроссовера является проблемой / задержкой в ​​передаче обслуживания между устройствами, обрабатывающими положительные и отрицательные части формы сигнала. Само собой разумеется, что такое искажение в достаточных количествах слышно, и хотя некоторые конструкции класса B были лучше, чем другие в этом отношении, класс B не получил особой любви от аудиофилов.

Класс A / B

Класс A / B, как можно было бы заключить, сочетает в себе лучшее из класса A и класса B, чтобы создать усилитель без недостатков ни того, ни другого. Благодаря этому сочетанию преимуществ усилители класса A / B в значительной степени доминируют на потребительском рынке. Так как они это сделали? Решение на самом деле довольно простое по своей концепции: там, где в классе B используется двухтактная схема с каждой половиной выходного каскада, проводящей на 180 градусов, усилители класса A / B поднимают ее до ~ 181-200 градусов. Таким образом, существует гораздо меньшая вероятность возникновения «разрыва» в цикле, и, следовательно, искажение кроссовера отталкивается до такой степени, что оно не имеет значения.

Так что насчет этого маленького вопроса эффективности? Достаточно сказать, что класс A / B выполняет свои обещания, легко превзойдя эффективность чистых конструкций класса A с показателями порядка ~ 50-70%, достигаемыми в реальном мире. Фактические уровни, конечно же, зависят от того, насколько смещен усилитель, а также от программного материала и других факторов. Стоит также отметить, что некоторые разработки класса A / B делают еще один шаг вперед в своем стремлении исключить перекрёстные искажения, работая в чистом режиме класса A с мощностью до нескольких ватт. Это дает некоторую эффективность при работе на низких уровнях, но при этом гарантирует, что усилитель не превратится в печь при подаче большого количества энергии.

Пример схемы класса A / B (слева; источник из Википедии) и усилителя Emotiva XPA-1L класса A / B, который работает в чистом режиме класса A до первых 35 Вт (справа).

Класс G & H

Другая пара разработок, разработанных для повышения эффективности, с технической точки зрения, ни усилители класса G, ни усилители класса H официально не признаны. Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A / B, использующие переключение напряжения на шине и модуляцию шины соответственно. В любом случае, в условиях низкого спроса, система использует более низкое напряжение на шине, чем аналогичный усилитель класса A / B, что значительно снижает энергопотребление; Когда возникают условия высокой мощности, система динамически увеличивает напряжение на шине (т.е. переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.

Сравнение топологий класса B и класса G (слева; изображение получено из sound.westhost.com ) и Outlaw Model 2200, компактный, работающий на 200 Вт усилитель класса G (справа).

Так в чем здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах коммутации рельсов использовались биполярные транзисторы для управления выходными рельсами, что повышает сложность и стоимость. В наши дни это часто снижается до некоторой степени при использовании сильноточных МОП-транзисторов для выбора / изменения направляющих. Использование полевых МОП-транзисторов не только повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньше деталей (обычно одно устройство на рельс). В дополнение к стоимости коммутации на шине / самой модуляции на шине, также стоит отметить, что некоторые усилители класса G используют больше выходных устройств, чем типичная конструкция класса A / B. Одна пара устройств будет работать в типичном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем, другая пара находится в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, активируемый только в зависимости от ситуации. В конце концов, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только классы G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность оправдывает себя. Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкой мощности означает, что они могут обойтись с немного меньшим радиатором.

Класс D

Часто ошибочно именуемые «цифровым усилением», усилители класса D представляют собой зенит эффективности усилителя, при этом в реальном мире достигаются значения, превышающие 90%. Перво-наперво: почему это относится к классу D, если «цифровое усиление» является неправильным? Это была просто следующая буква в алфавите, с классом C, используемым в не аудио приложениях. Что еще более важно, как 90% + эффективность возможна? В то время как все ранее упомянутые классы усилителей имеют одно или несколько выходных устройств, которые постоянно активны, даже когда усилитель фактически находится в режиме ожидания, усилители класса D быстро переключают выходные устройства в состояние «выключено» и «включено»; Например, проекты класса T, которые являются реализацией класса D, разработанного Tripath, в отличие от формального класса, используют частоты переключения порядка 50 МГц. Выходные устройства обычно управляются с помощью широтно-импульсной модуляции: прямоугольные волны различной ширины генерируются модулятором, который представляет аналоговый сигнал для воспроизведения. При строгом контроле устройств вывода таким способом теоретически возможна эффективность в 100% (хотя, очевидно, она не достижима в реальном мире).

Пример полной мостовой схемы класса D (слева; получен из sound.westhost.com ), и усилитель IQ M300 Class D, чудо 300 Вт (справа).

Окунувшись глубже в мир класса D, вы также найдете упоминание об аналоговых и цифровых управляемых усилителях. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи. С другой стороны, в усилителях класса D с цифровым управлением используется цифровое управление, которое переключает ступень мощности без контроля ошибок (можно показать, что те, которые имеют контроль ошибок, топологически эквивалентны классу D с аналоговым управлением и ЦАП впереди). ). В целом, стоит отметить, что аналогово-управляемый класс D имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, так как они обычно предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть (не так) мелочь выходного фильтра: это обычно LC-цепь (индуктор и конденсатор), размещенная между усилителем и громкоговорителями для уменьшения шума, связанного с работой класса D. Фильтр имеет большое значение: плохой дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя конструкции, которые не используют обратную связь на этом этапе, могут настраивать свой отклик на определенный импеданс, когда такие усилители имеют сложную нагрузку (то есть громкоговоритель реального мира, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от нагрузка на динамик это видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавное реагирование на сложные нагрузки.

В конечном счете, сложность класса D имеет свои преимущества: эффективность и, как хорошее следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется на тепло, требуется гораздо меньше тепла. Таким образом, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и способности снижать вес относительно традиционных аналоговых / линейных источников питания. В совокупности даже мощные усилители класса D могут весить всего несколько фунтов. Недостаток блоков питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками питания заключается в том, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Наши ограниченные испытания усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками питания SMPS показали, что это правда, когда два сопоставимых номинальных усилителя мощности оба поставляли номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог создавать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, дизайн SMPS становится все более распространенным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Насколько эффективен типовой усилитель класса D по сравнению с работой мельницы класса A / B?

Одним словом, чрезвычайно. Хотя эффективность усилителя класса A / B повышается по мере приближения к максимальной выходной мощности, конструкции класса D поддерживают высокий коэффициент полезного действия в большинстве рабочих диапазонов; в результате эффективность реального мира все больше склоняется в их пользу. Изображение предоставлено sound.westhost.com ,

Один усилитель, чтобы управлять ими всеми?

При правильной реализации любой из вышеперечисленных за пределами чистого класса B может сформировать основу усилителя высокой точности. Не достаточно хорош для вас? Тогда давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждого дизайна:

Усилитель Класс
Типичная эффективность
Pros
Cons
A

~ 15-35% Нет возможности искажения кроссовера.
Неэффективность = тепло
Односторонние конструкции подвержены шуму и более высоким уровням искажений.
B ~ 70% Относительно высокая эффективность.
Потенциал для значительных искажений кроссовера и скомпрометированной верности
A / B ~ 50-70% более эффективно, чем класс A.
Относительно недорогой.
Искажение кроссовера может быть спорным.
Эффективность хорошая, но не отличная.
G & H
~ 50-70% Повышение эффективности по сравнению с классом A / B.
Более дорогой, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достижимы в меньшем форм-факторе.
D > 90% Максимально возможная эффективность
Легкий вес
Модуляторы ширины импульса, работающие на относительно низких частотах, могут поставить под угрозу воспроизведение звука высокой частоты.
В некоторых моделях качество звука зависит от нагрузки на динамик.

Помимо потенциальных ошибок производительности (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущим классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости в сравнении с эффективностью. На сегодняшнем рынке класс A / B доминирует на сцене, и на то есть веская причина: они очень хорошо работают, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для приложений с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются расширить границы поставки мощности с усилителями, такими как 1000 Вт Emotiva XPR-1 Моноблок они обращаются к классам G / H и D, чтобы избежать двойного использования их усилителей в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса А, которые могут простить недостаток эффективности в надежде на более чистый звук.

В конце концов, классы усилителей не обязательно так важны, как некоторые приписывают. Да, есть важные различия, особенно когда речь идет о стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, весе. Конечно, усилитель класса А мощностью 500 Вт - плохая идея, если вам не подходит идея использовать ваш усилитель в качестве духовки. С другой стороны, различия между классами не определяют качество звука. В конце концов, это сводится к разработке и реализации; в Audioholics нам повезло услышать (и измерить) отличные примеры всех классов усилителей. Есть любимый? Обязательно выскажите свое мнение на наших форумах.

Verdinut сообщений на 19 сентября 2018 20:20

Одним из примеров успешных усилителей класса A / B и класса A / B / H, использующих SMPS, является серия усилителей DCA, которые QSC Audio производит с 1998 года. Они доказали, что хорошо разработанный усилитель может использовать импульсный источник питания и может работа, если не лучше, чем обычные линейные поставки:
https://www.qsc.com/cinema/products/power-amplifiers/dca-series/
Я использую три DCA 1222 и один DCA 1824 в своей системе HT.

Мэттью Дж. По пишет 19 сентября 2018 г. 19:28

Я не скажу, что у меня есть любимый, я тоже слышал отличные примеры всех типов. Однако, как обозреватель, так и твикер, постоянно перемещающий усилители, я могу с уверенностью сказать, что мне нравятся усилители класса D с источниками питания SMPS. Им просто легче управлять.
Я немного привык к самодельным усилителям, собирая их из модулей с предварительной рукояткой, наборов или даже из моих собственных конструкций. Я построил множество линейных источников питания, включая емкостные умножители и источники питания CLC с индукторами размером 1 кВА тороидальных трансформаторов. Я измерял их поведение наряду с большим количеством компьютерного моделирования.
В SMPS есть качество, которое, на мой взгляд, заслуживает как упоминания, так и обсуждения. Им нужно немного любви.
Поставка SMPS по своей природе регулируется. Это означает, что напряжение не падает с нагрузкой. Вместо этого он регулирует напряжение, пока не достигнет своего предела. Это хорошо для поддержания производительности в условиях изменяющейся нагрузки и в условиях высокой динамики. Это также гарантирует, что искажение усилителя и шум не возрастут на пределе. Линейные источники питания без регулирования не могут этого сделать и, следовательно, должны быть либо очень большими с большой емкостью, либо использовать сложный метод CLC, как я, который действительно дорогой и очень тяжелый.
Ограничением SMPS является то, что вы не можете рассматривать их максимальную текущую номинальную мощность или номинальную мощность как линейную. Если вы считаете это усилителем, линейные мягкие клипы, где SMPS жесткие клипы. Когда линейный источник питания приближается к своему пределу, он просто постепенно падает напряжение по мере увеличения тока (что на самом деле хорошо для нагрузок с низким импедансом), пока не достигнет предела. Волна также увеличивается, поэтому для предотвращения этого достаточно большой емкости. SMPS не будет снижать напряжение, он просто достигает своего предела и срабатывает ограничитель тока. Это приводит к меньшему запасу мощности. Я построил усилитель мощностью 300 Вт на канал (класс A / B) и включил источник питания SMPS мощностью 1200 Вт, предназначенный для использования с аудио. Он не мог даже достигнуть 300 Вт среднеквадратичного значения до того, как сработал ограничитель. Тем не менее, тороидальный трансформатор мощностью 1,2 кВА и емкость 40 000 мкФ было бы достаточно при линейном питании, превышающем этот показатель. Вместо этого усилителю потребовалось в два раза больше энергии, чтобы достичь ожидаемой мощности. Другими словами, SMPS не должен делать усилитель менее динамичным, производители просто должны начать включать гораздо более крупные. Как в два раза больше.
Еще одним приятным атрибутом SMPS является то, что их пульсирующее напряжение находится на одном уровне с самыми лучшими линейными источниками питания, возможными благодаря расширенной фильтрации. Никакой базовый линейный источник питания не может сравниться. Хотя многие могут указывать на шум переключения в SMPS, на самом деле, в современном хорошо спроектированном SMPS классе Audio нет значимого шума переключения на выходе. Они имеют высокую радиочастотную радиацию, но это легко отфильтровывается. В конце концов, я думаю, что нам всем нужен SMPS во всех усилителях.

сообщения ski2xblack 28 декабря 2017 г. 13:04

Привет Стив, это, наверное, странный вопрос для вас, ребята, потому что это 12 вольт. Усилитель класса A, AB и т. Д. Вы когда-нибудь слышали о классе A / G? Может ли оно существовать? В моей коллекции есть предположения с середины до конца 80-х с трафаретной схемой A / G. Не могу найти на нем ничего. Так что вопрос, это может быть? Дай мне знать. Thx Это можно интерпретировать как любимую топологию TLS, Quad Current Dumpers. Усилитель класса A довольно умно сочетался с классом B. Не уверен, был ли он когда-либо реализован в мобильном аудио. Или это может быть как сказал Стив.
Как бы то ни было, у меня есть усилители класса a / b и g (h?), А также пара рабочих мест с лампами SE, которые не особенно хорошо усиливаются, но гарантированно доставляют шоколадные средние частоты.

Сообщения Verdinut от 28 декабря 2017 г. 11:20

Самые мощные усилители QSC Audio работают в классе AB на более низких выходных уровнях, а затем переключаются на шину более высокого напряжения для работы класса H.

Сообщения Steve81 от 28 декабря 2017 г. 10:31

Так что вопрос, это может быть? Дай мне знать. Спасибо
Оно может. Лучше всего предположить, что это, вероятно, усилитель A / B, который работает в классе A до определенного уровня, а затем использует дополнительную эффективность переключения шины A / B + (G) для более высоких выходных уровней.

Похожие

Комментарии