Усилитель

Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя. Наличие фильтров ВЧ (высокочастотных) и НЧ (низкочастотных) является очень полезной функцией, имеющейся в части усилителей.

При включении фильтра ВЧ и настройке его на определенную частоту на выходе получаем сигнал, который как бы «обрезан» ниже заданной частоты.При использовании НЧ фильтра получаем обратную картину, т.е. выходной сигнал как бы «обрезан» выше заданной частоты.



Фильтрами пользуются для выполнения следующих действий: стыковка по частоте сабвуфера с остальными акустическими системами, «обрезка» акустических систем по низкой частоте (редкая акустическая система может отыгрывать без искажений частоты ниже 60-70 Гц), стыковка по частоте компонентов акустической системы при поканальном усилении (на каждый компонент акустической системы подается сигнал от отдельного канала усилителя). При необходимости пользования при построении системы встроенными фильтрами усилителя, очень важно заранее оценить имеющиеся возможности этих встроенных фильтров (диапазон регулировки, крутизна фильтра, возможность одновременного использования, возможность полосового включения – когда с помощью фильтра «вырезается» какой-то определенный частотный диапазон, ограниченный одновременно сверху и снизу). В некоторых усилителях встречается особая разновидность фильтра ВЧ, которая называется subsonic. Он служит для «обрезки» инфранизких частот, которые не могут воспроизводиться системой (даже имеющей сабвуфер) без искажений. Subsonic может быть регулируемым или нет. Обычно, subsonic используется для «обрезки» частот с ~25Гц и ниже.



Оконечные усилители ( мощности ) (жарг. концы, конец) - усилители, лишённые любых фильтров, служащие исключительно для усиления поданного сигнала. Это устройства, позволяющие повышать мощность полученных с звуковоспроизводящей аппаратуры сигналов, без искажений. Физический смысл работы усилителей мощности, заключается в увеличении интенсивности электрических колебаний, без изменения их формы, то есть с сохранением того же частотного спектра и фазовых отношений. Усилители сегодня бывают ламповые, транзисторные и гибридные. Ламповые появились очень давно и стали широко использоваться еще в середине прошлого века, сейчас они встречаются все реже.





Интегрированный усилитель ( полный усилитель ) — состоит из двух каскадов: предварительный управляет громкостью и переключает входы, а оконечный повышает уровень и мощность сигнала. Оба размещены в одном корпусе. Раздельные предварительные и оконечные усилители звучат лучше, но и стоят дороже.

• 1904 г. Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
  
• 1932 г. Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
  
• 1942 г. В США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.
  

Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство.
Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться источники звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

• Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
  
• Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)
  
• Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках
  
• Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.
  

• В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
  
• В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.
  

2-3-х канальные – расщитаны на подключение двух АС или и ( 3-х канальные ) сабвуфера, могут поддерживать низкоомную нагрузку, работать в мост (что немаловажно для сабвуфера). Так же существуют варианты этого типа усилителей, поддерживающие расширенные регулировки для совместной работы с сабвуфером, такие как плавное усиление баса или фильтр инфранизких частот.





4-х канальные – возможности схожи с 2-х канальными усилителями (упрощенно, это и есть два 2-х канальных усилителя в одном корпусе и с одним блоком питания). Из ключевых отличий этих усилителей можно назвать возможность работы в tri-mode (режим подключения 3 акустических систем - 2 стерео, 1 моно - к одному стереофоническому выходу усилителя) и использование второй пары линейного входа с выхода первой. Автомобильная аудиосистема часто строится на использовании 3 и 4 канала мостом для подключения сабвуфера.




5- канальные (все как в 4-х канальном и отдельный пятый канал – для подключения сабвуфера).








6- канальные усилители предназначены для поканального усиления вч и сч громкоговорителей ( биампинг , триампинг )












Моноблок (представляют собой басовые усилители большой мощности).

Усилитель условно можно разделить на четыре основные части. Блок питания усилителя, блок обработки входного сигнала, драйвер и блок формирования выходного сигнала.

Блок питания - это группа электрических цепей, формирующих и регулирующих напряжение для питания различных частей усилителя. Блок обработки входного сигнала сравнивает сигнал, получаемый от предусилителя магнитолы с выходным сигналом усилителя для его корректировки, чтобы удалить искажения, возникающие при усилении. Кроме того, этот блок усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для последующего его усиления в других частях усилителя.
Драйвер разделяет сигнал на два разнополярных сигнала (фазовое разделение) и усиливает его для последующей передачи в блок обработки выходного сигнала. И наконец, последняя стадия усиления - блок обработки выходного сигнала (его правильнее называть выходным каскадом или оконечником), который в основном и определяет класс усилителя. Усилители разделяются по классам в зависимости от своей эффективности (К.П.Д.) и уровня искажения выходного сигнала.


Класс А. Усилители этого класса обладают низкой эффективностью, но дают очень "чистый" сигнал. Большинство усилителей класса А имеют К.П.Д. равным 20-30%, то есть при потреблении 100 Вт от аккумулятора автомобиля он выдает сигнал на динамики мощностью всего в 20-30 Вт. Остальная мощность теряется в электрической цепи усилителя, превращаясь в тепло. Качественные усилители А класса редко применяются в автомобильных аудиосистемах, так как они обладают малой мощностью при очень высоких ценах. Ламповые усилители класса А можно встретить лишь в очень дорогих аудиосистемах уровня Hi-End.







Класс В. Эффективность усилителя этого класса почти в два раза выше эффективности усилителя класса А. Однако, искажения в выходном сигнале очень высоки, что делает этот класс усилителей неприемлемым для car audio.










Класс С. Усилители этого класса имеют К.П.Д. равным почти 75%, что делает их очень эффективными, но с увеличением К.П.Д. резко увеличиваются искажения. Этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке - резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока.







Класс АВ. Большинство Hi-Fi усилителей принадлежат именно этому промежуточному классу. Они вобрали в себя возможности усилителей класса А - относительно "чистый сигнал" при относительно неплохой эффективности (немного ниже чем в классе В), компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала ("стыковка" ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому, что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается.
Усилитель класса АВ объединяет в себе достоинства классов А и В. При малом уровне сигнала (примерно до 5-10 Вт) усилитель работает в классе А, затем переключается в класс В. Характеризуется относительно низкими искажениями и энергопотреблением. Класс АВ - наиболее распространенный тип усилителей мощности.





Класс D. Класс D вовсе не означает «цифровой» (digital). Входной сигнал действительно конвертируется в двузначное (бинарное) представление аудиосигнала, но на этом сходство и заканчивается. Это замечание является важным, потому что класс D не обеспечивает никаких преимуществ, обычно ассоциируемых с цифровыми технологиями. Аудиосигнал конвертируется в широтно-модулируемые импульсы. В процессе преобразования аналогового сигнала в импульсы и обратно возникают значительные искажения. Основным источником таких искажений является невозможность обеспечить идеально точные интервалы коммутации выходных транзисторов. С целью снижения искажений применяется отрицательная обратная связь. Наиболее подходящими для работы в усилителях класса D являются транзисторы MOSFET.
Особый класс на основе ШИМ. Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства - очень высокая экономичность, недостатки - ВЧ импульсные помехи, которые необходимо подавлять.

В автозвуке чаще встречаются моноблоки для усиления нч-звена.


Усилитель Класс G и H В усилителях класса G применяется два значения напряжения питания выходного каскада, автоматически переключаемых при изменении сигнала на входе.
В усилителях класса H источник питания отслеживает входное напряжение и плавно изменяется в соответствии с ним. Характеризуется более высоким к.п.д, чем у класса G.

Класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности.



Класс Н — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то типа ключевого усилителя класса D.






Усилитель Класс T (Tripath) похож на класс D, только вместо аналоговой обратной связи с выхода фильтра используется цифровая обратная связь в обход выходного фильтра. Таким образом, из цепи обратной связи исключается задержка, связанная с постоянной времени фильтра. Ввиду того что искажения усилителей классов D и T связаны с ошибкой времени включения и выключения, обратная связь усилителя класса T построена на коррекции момента переключения транзисторов. Усилители классов D и T потребляют ток даже в случае отсутствия сигнала, потому что в них постоянно присутствуют мощные высокочастотные импульсы. Это приводит к протеканию значительных реактивных токов и генерации тепла.






Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные аппараты дополняются рядом сервисных функций, позволяющих расширить функциональность звукоусилительной системы. Это и компьютерное управление усилителем, и программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов мы можем ожидать роста усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит наши возможности в создании звукоусилительных комплексов.

Класс Е - если усилители класса D работают на основе ШИМ, то класс E - в ключевом режиме. В основном используется опять же, в ВЧ аппаратуре.