Ljudförstärkare är en allmän term som används för att beskriva en krets som producerar och förstärker en version av sin insignal. Men inte alla omvandlartekniker är desamma eftersom de klassificeras enligt deras konfigurationer och driftsätt.
Inom elektronik används ofta små förstärkare eftersom de kan förstärka en relativt liten insignal, till exempel från en sensor som en musikspelare, till en mycket större utsignal för att driva ett relä, lampa eller högtalare, etc.
Det finns många former av elektroniska kretsar som klassificeras som förstärkare, från operationella och små signalgivare till stora puls- och effektomvandlare. Klassificeringen av en enhet beror på storleken på signalen, stor eller liten, dess fysiska konfiguration och hur ingångsströmmen behandlas, det vill säga förhållandet mellan ingångsnivån och strömmen som flyter i lasten.
Device Anatomy
Ljudfrekvensförstärkare kan ses som en enkel lådaeller ett block som innehåller en enhet, såsom en bipolär, FET- eller operationssensor, som har två ingångs- och två utgångsanslutningar (jord är gemensam). Dessutom är utsignalen mycket större på grund av dess omvandling på enheten.
En idealisk signalförstärkare kommer att ha tre huvudegenskaper:
- Ingångsimpedans, eller (R IN).
- Utgångsmotstånd, eller (R OUT).
- Gain, eller (A).
Oavsett hur komplex förstärkarkretsen är, kan en generell blockmodell användas för att demonstrera förhållandet mellan dessa tre egenskaper.
Allmänna begrepp
Ljudförstärkare av hög kvalitet kan variera i prestanda. Varje typ har en digital eller analog konvertering. Koder är inställda för att skilja dem åt.
Den ökade skillnaden mellan in- och utsignaler kallas konvertering. Gain är ett mått på hur mycket en förstärkare "transformerar" en insignal. Till exempel, om det finns en ingångsnivå på 1 volt och en utgångsnivå på 50 volt, så blir omvandlingen 50. Med andra ord har ingångssignalen utvecklats 50 gånger. En ljudfrekvensförstärkare gör just det.
Omvandlingsberäkningen är helt enkelt förhållandet mellan utdata dividerat med input. Det här systemet har inte enheter som förhållande, men inom elektronik används symbolen A för förstärkning. Omvandlingen beräknas sedan helt enkelt som "output dividerat med input".
Strömomvandlare
Förstoringsglas litenEn signalförstärkare kallas vanligtvis för en "spännings"-förstärkare eftersom den tenderar att omvandla en liten ingång till en mycket större utspänning. Ibland krävs en enhetskrets för att driva en motor- eller högtalareffekt, och för dessa typer av applikationer, där höga omkopplingsströmmar är inblandade, behövs effektomvandlare.
Som namnet antyder är huvuduppgiften för en effektförstärkare (även känd som en stor signalförstärkare) att leverera ström till en last. Det är produkten av spänning och ström som appliceras på en last med en uteffekt som är större än ingångssignalens nivå. Omvandlaren ökar med andra ord högtalarens effekt, så den här typen av blockkrets används i ljudomvandlarnas externa steg för att driva högtalarna.
Driftsprincip
Ljudförstärkaren fungerar enligt principen att omvandla likström som dras från strömförsörjningen till en växelspänningssignal som tillförs belastningen. Även om omvandlingen är hög är verkningsgraden från likströmsförsörjningen till växelspänningsutgångssignalen i allmänhet låg.
Ett idealiskt block ger enheten en verkningsgrad på 100 % eller så blir åtminstone strömingången lika med strömutgången.
Klassuppdelning
Om användare någonsin har tittat på specifikationen för ljudeffektförstärkare kan de ha lagt märke till utrustningsklasser, vanligtvis betecknade med bokstaven ellertvå. De vanligaste blocktyperna som används i hemljud för konsumenter idag är A-, A/B-, D-, G- och H-värden.
Dessa klasser är inte enkla klassificeringssystem, utan beskrivningar av förstärkartopologi, det vill säga hur de fungerar på kärnnivån. Även om varje typ av förstärkare har sina egna styrkor och svagheter, förblir deras prestanda (och hur de slutliga egenskaperna mäts) desamma.
Det är för att konvertera vågformen som skickas av förenheten utan att införa störningar eller åtminstone så lite distorsion som möjligt.
Klass A
Jämfört med andra klasser av ljudeffektförstärkare som kommer att beskrivas nedan är klass A-modeller relativt enkla enheter. Den definierande principen för driften är att alla givarutgångsblock måste gå igenom en komplett 360-graders signalcykel.
Klass A kan också delas upp i single-end och push-pull förstärkare. Push/pull skiljer sig från huvudförklaringen ovan genom att använda utgångsenheter i par. Medan båda enheterna kör en hel 360-graderscykel, kommer en enhet att bära det mesta av belastningen under den positiva delen av cykeln, medan den andra kommer att bära mer av den negativa cykeln.
Den största fördelen med den här kretsen är minskad distorsion jämfört med ensidiga konstruktioner, eftersom även orderfluktuationer elimineras. Dessutom är klass A push-pull-designer mindre känsliga för buller.
På grund av de positiva egenskaper som är förknippade med klass A-prestanda anses den vara guldstandarden för ljudkvalitet i många akustiska tillämpningar. Dessa design har dock en viktig nackdel - effektivitet.
Krav på klass A transistorljudförstärkare för att ha alla utenheter på hela tiden. Denna åtgärd leder till en betydande förlust av energi, som så småningom omvandlas till värme. Detta förvärras ytterligare av det faktum att klass A-konstruktioner kräver relativt höga nivåer av viloström, vilket är mängden ström som flyter genom utgångsenheterna när förstärkaren producerar noll uteffekt. Verkningsgraden i verkligheten kan vara i storleksordningen 15-35 %, med ensiffriga möjliga med mycket dynamiskt källmaterial.
Klass B
Medan alla utgångsmekanismer i en klass A-ljudförstärkare tar 100 % av tiden att fungera, använder klass B-enheterna push-pull-kretsar så att bara hälften av utgångsenheterna leder när som helst.
Den ena halvan täcker +180 graders delen av vågformen medan den andra halvan täcker -180 graders delen. Som en konsekvens är klass B-förstärkare betydligt effektivare än sina motsvarigheter i klass A, med ett teoretiskt maximum på 78,5 %. Med tanke på den relativt höga verkningsgraden har klass B använts i vissa professionella PA-transduktorer samt vissa hemmarörsförstärkare. Trots demuppenbar styrka, chanserna att skaffa ett klass B-block till ett hus är praktiskt taget noll. En undersökning av ljudförstärkaren visade orsaken till detta, känd som crossover-distorsion.
Problemet med latens i handover mellan enheter som bearbetar de positiva och negativa delarna av vågformen anses vara betydande. Det säger sig självt att denna förvrängning är hörbar i tillräckliga mängder, och även om vissa Klass B-designer var bättre än andra i detta avseende, fick Klass B lite erkännande från renljudande entusiaster.
Klass A/B
Rörljudförstärkaren finns på många konsertlokaler. Den har hög prestanda och överhettas inte. Dessutom är modellerna mycket billigare än många digitala block. Men det finns också avvikelser. En sådan modul kanske inte fungerar med alla ljudformat. Därför är det bättre att använda utrustning som en del av ett allmänt signalbehandlingskomplex.
Klass A/B kombinerar det bästa från varje enhetstyp för att skapa en enhet utan nackdelarna med någondera. Med denna kombination av fördelar dominerar klass A/B-förstärkare till stor del konsumentmarknaden.
Lösningen är faktiskt ganska enkel i konceptet. Där klass B använder en push-pull-enhet med varje halva av utgångssteget som leder 180 grader, ökar klass A/B-mekanismer den till ~181-200 grader. Det finns alltsåmycket mindre sannolikhet att få en "rev" i slingan, och därför sjunker crossover-distorsionen till den punkt där det inte spelar någon roll.
Valve ljudeffektförstärkare kan absorbera denna störning mycket snabbare. Tack vare denna egenskap kommer ljudet ut ur enheten mycket renare. Modeller med dessa egenskaper används ofta för att förvandla ljudet från akustiska och elektriska gitarrer.
Det räcker med att säga att klass A/B håller vad de lovar, och enkelt överträffar rena klass A-konstruktioner med ~50-70 % verkliga prestanda. Faktiska nivåer beror förstås på hur mycket förstärkaren är offset, samt programmaterial och andra faktorer. Det är också värt att notera att vissa Klass A/B-designer går ett steg längre i sin strävan att eliminera crossover-distorsion genom att arbeta i rent klass A-läge upp till några watts effekt. Detta ger viss effektivitet vid låga nivåer, men säkerställer att förstärkaren inte förvandlas till en ugn när en stor mängd ström tillförs.
Klass G och H
Ännu ett par mönster utformade för att förbättra effektiviteten. Ur teknisk synvinkel är varken klass G eller klass H förstärkare officiellt erkända. Istället är de varianter på klass A/B-temat som använder bussspänningsomkoppling respektive bussmodulering. I vilket fall som helst, under låga krav, använder systemet en lägre bussspänning än en liknande klass A/B-förstärkare, vilket avsevärtminskar strömförbrukningen. När högeffektsförhållanden uppstår, ökar systemet dynamiskt bussspänningen (dvs. växlar till högspänningsbussen) för att hantera transienter med hög amplitud.
Det finns också brister. Främst bland dem är den höga kostnaden. De ursprungliga nätverkskopplingskretsarna använde bipolära transistorer för att styra utgångsströmmarna, vilket ökade komplexiteten och kostnaden. Högkvalitativa rörljudfrekvensförstärkare av denna typ är vanliga, även om priset börjar på 50 tusen rubel. Blocket anses vara en professionell teknik för att arbeta på scen eller spela in i en studio. Det finns problem med transistorer. Vid långvarig belastning kan vissa av dem misslyckas.
Idag sänks priset ofta till viss del genom att använda högströms MOSFET:er för att välja eller ändra guider. Användningen av MOSFETs förbättrar inte bara effektiviteten och minskar värmen, utan kräver också färre delar (vanligtvis en enhet per tråd). Förutom kostnaden för bussväxling, själva moduleringen, är det också värt att notera att vissa klass G-förstärkare använder fler utgångsenheter än en typisk klass A/B-design.
Ett par enheter fungerar i typiskt A/B-läge, drivs av lågspänningsskenorna. Under tiden är den andra i standby för att fungera som en spänningsförstärkare, aktiverad endast beroende på situationen. Tål hög belastning endast klasserna G och H,förknippas med kraftfulla förstärkare, där den ökade effektiviteten lönar sig. Kompakta konstruktioner kan också använda klass G/H-topologier i motsats till A/B med tanke på att möjligheten att byta till lågeffektläge innebär att de kan komma undan med en något mindre kylfläns.
Klass D
Denna typ av enhet låter dig skapa dina egna modulära system. Med hjälp av utrustningen sker en högkvalitativ bearbetning av hela den utgående strömmen. Genom att designa ljudfrekvenseffektförstärkare kan du skapa ditt eget multimediasystem för arbete eller underhållning. Det finns dock några nyanser här. Klass D-omvandlare, ofta felaktigt kallade digital förstärkning, är en garanti för enhetseffektivitet och uppnår vinster på över 90 % i faktiska tester.
Först är det värt att överväga varför detta är klass D om "digital förstärkning" är felaktig. Det var bara nästa bokstav i alfabetet, med C-klassen som används i ljudsystem. Ännu viktigare, hur 90%+ effektivitet kan uppnås. Medan alla de tidigare nämnda förstärkarklasserna har en eller flera utgångsenheter som är konstant aktiva även när omvandlaren faktiskt är i standby-läge, slår klass D-enheter snabbt av och på dem. Detta är ganska bekvämt och gör det möjligt att använda modulen endast vid rätt ögonblick.
Till exempel beräkningen av klass T-ljudförstärkare, som ärTripaths klass D-implementering, till skillnad från basenheten, använder växlingsfrekvenser i storleksordningen 50 MHz. Utmatningsenheter styrs vanligtvis av pulsbreddsmodulering. Detta är när fyrkantvågor av olika bredd genereras av en modulator som presenterar en analog signal för uppspelning. Med strikt kontroll av utgångsenheter på detta sätt är 100 % effektivitet teoretiskt möjligt (även om det uppenbarligen inte går att uppnå i den verkliga världen).
När du gräver in i världen av klass D-ljudförstärkare kan du också nämna analoga och digitala styrda moduler. Dessa styrblock har en analog insignal och ett analogt styrsystem, vanligtvis med en viss grad av återkopplingsfelkorrigering. Å andra sidan använder digitalkonverteringsklass D-förstärkare digital styrning, som växlar effektsteget utan felkontroll. Detta beslut får också godkännande, enligt recensioner från många köpare. Däremot är prissegmentet mycket högre här.
Ljudförstärkarforskning har visat att analog-driven klass D har en prestandafördel jämfört med digital analog, eftersom den vanligtvis erbjuder lägre utgångsimpedans (motstånd) och förbättrad distorsionsprofil. Detta höjer systemets initiala värden vid maximal belastning.
Parametrarna för ljudfrekvensförstärkarna är mycket högre än för basmodellerna. Det bör förstås att sådana beräkningar endast krävs för att skapa musik i studion. För vanliga köpare, dessaegenskaper kan hoppas över.
Vanligtvis är en L-krets (induktor och kondensator) placerad mellan förstärkare och högtalare för att minska bruset som hör ihop med drift i klass D. Filtret är av stor betydelse. Dålig design kan äventyra effektivitet, tillförlitlighet och ljudkvalitet. Dessutom har återkoppling efter utgångsfiltret sina fördelar. Även om konstruktioner som inte använder återkoppling i detta skede kan ställa in sin respons till en specifik impedans, när sådana förstärkare har en komplex belastning (dvs en högtalare snarare än ett motstånd), kan frekvenssvaret variera avsevärt beroende på belastningen på högtalaren. Feedback stabiliserar detta problem genom att ge ett smidigt svar på komplexa belastningar.
I slutändan har komplexiteten hos klass D-ljudförstärkare sina fördelar. Effektivitet och som ett resultat mindre vikt. Eftersom relativt lite energi går åt till värme krävs mycket mindre energi. Som sådana används många klass D-förstärkare tillsammans med switchade strömförsörjningar (SMPS). Liksom slutsteget kan själva strömförsörjningen snabbt slås på och av för att reglera spänningen, vilket resulterar i ytterligare effektivitetsvinster och förmågan att minska vikten jämfört med traditionella analoga/linjära nätaggregat.
Sammantaget kan till och med kraftfulla klass D-förstärkare bara väga några få kilo. Nackdelen med SMPS nätaggregat jämfört med traditionella linjära aggregat äratt de förra vanligtvis inte har så mycket utrymme.
Tester och många tester av klass D-ljudförstärkare med linjär strömförsörjning jämfört med SMPS-moduler har visat att detta verkligen är fallet. När två förstärkare hanterade märkeffekt, men en med linjär strömförsörjning, kunde producera högre dynamiska effektnivåer. Men SMPS-designer blir allt vanligare och du kan förvänta dig att se bättre nästa generations klass D-enheter med liknande former i butiker.
Jämförelse av effektiviteten för klasserna AB och D
Även om effektiviteten hos en klass A/B transistoriserad ljudeffektförstärkare ökar när den maximala uteffekten närmar sig, bibehåller klass D-designer hög effektivitet över de flesta driftsområden. Som ett resultat lutar effektiviteten och ljudkvaliteten allt mer mot det sista blocket.
Använd en givare
När de är korrekt implementerade, kan vilket som helst av ovanstående block utanför klass B utgöra grunden för en högfientlighetsförstärkare. Bortsett från potentiella prestandafallgropar (som i första hand är ett designbeslut snarare än klassspecifikt), är val av blocktyp till stor del en fråga om kostnad kontra effektivitet.
På dagens marknad dominerar den enkla Klass A/B-ljudförstärkaren, och det av goda skäl. Det fungerar mycket bra, är relativt billigt, och desseffektiviteten är ganska tillräcklig för lågeffektapplikationer (>200W). Naturligtvis, när omvandlartillverkare försöker pressa fram enveloppet med till exempel 1000W Emotiva XPR-1 monoblock, vänder de sig till G/H- och D-klassdesigner för att undvika att duplicera sina förstärkare som system som kan värma upp utrustning snabbt. Samtidigt, på andra sidan marknaden, finns det klass A-fläktar som kan förlåta enhetens bristande effektivitet i hopp om ett renare ljud.
Resultat
Omvandlarklasser är trots allt inte nödvändigtvis så viktiga. Självklart finns det faktiska skillnader, speciellt när det kommer till kostnad, förstärkareffektivitet och därmed vikt. Naturligtvis är 500W klass A-apparater en dålig idé, såvida inte användaren förstås har ett kraftfullt kylsystem. Å andra sidan bestämmer inte skillnader mellan klasser ljudkvaliteten. I slutändan handlar det om att utveckla och genomföra dina egna projekt. Det är viktigt att förstå att givare bara är en enhet som ingår i ljudsystemet.
