Lydforstærker er et generelt udtryk, der bruges til at beskrive et kredsløb, der producerer og forstærker en version af sit inputsignal. Det er dog ikke alle konverterteknologier, der er de samme, da de er klassificeret i henhold til deres konfigurationer og driftsformer.
I elektronik bruges små forstærkere almindeligvis, fordi de er i stand til at forstærke et relativt lille inputsignal, såsom fra en sensor såsom en musikafspiller, til et meget større udgangssignal for at drive et relæ, en lampe eller en højttaler osv.
Der er mange former for elektroniske kredsløb klassificeret som forstærkere, lige fra operationelle og små sign altransducere til store puls- og effektomformere. Klassificeringen af en enhed afhænger af størrelsen af signalet, stort eller lille, dets fysiske konfiguration, og hvordan inputstrømmen behandles, det vil sige forholdet mellem inputniveauet og strømmen, der flyder i belastningen.
Device Anatomy
Lydfrekvensforstærkere kan ses som en simpel bokseller en blok, der indeholder en enhed, såsom en bipolær, FET- eller operationssensor, der har to indgangs- og to udgangsterminaler (jord er fælles). Desuden er udgangssignalet meget større på grund af dets konvertering på enheden.
En ideel signalforstærker vil have tre hovedegenskaber:
- Indgangsimpedans, eller (R IN).
- Udgangsmodstand eller (R OUT).
- Gain, eller (A).
Uanset hvor komplekst forstærkerkredsløbet er, kan en generel blokmodel bruges til at demonstrere sammenhængen mellem disse tre egenskaber.
Generelle begreber
Lydforstærkere i høj kvalitet kan variere i ydeevne. Hver type har en digital eller analog konvertering. Koderne er indstillet til at adskille dem.
Den øgede forskel mellem input- og outputsignaler kaldes konvertering. Gain er et mål for, hvor meget en forstærker "transformerer" et indgangssignal. Hvis der for eksempel er et indgangsniveau på 1 volt og et udgangsniveau på 50 volt, så vil konverteringen være 50. Indgangssignalet er med andre ord udviklet 50 gange. En lydfrekvensforstærker gør netop det.
Konverteringsberegningen er simpelthen forholdet mellem output divideret med input. Dette system har ikke enheder som forhold, men i elektronik bruges symbolet A til forstærkning. Konverteringen beregnes derefter som "output divideret med input".
Strømomformere
Magnifier smallEn signalforstærker omtales almindeligvis som en "spændings"-forstærker, fordi den har tendens til at konvertere en lille input til en meget større udgangsspænding. Nogle gange kræves der et enhedskredsløb for at drive en motor- eller højttalereffekt, og til disse typer applikationer, hvor der er tale om høje koblingsstrømme, er der behov for strømomformere.
Som navnet antyder, er hovedopgaven for en effektforstærker (også kendt som en stor signalforstærker) at levere strøm til en belastning. Det er produktet af spænding og strøm påført en belastning med en udgangseffekt, der er større end inputsignalniveauet. Med andre ord øger konverteren højttalerens effekt, så denne type blokkredsløb bruges i de eksterne faser af audiokonvertere til at drive højttalerne.
Driftsprincip
Lydforstærkeren arbejder ud fra princippet om at konvertere DC-effekten fra strømforsyningen til et AC-spændingssignal, der leveres til belastningen. Selvom konverteringen er høj, er effektiviteten fra DC-strømforsyningen til AC-spændingsudgangssignalet generelt lav.
En ideel blok giver enheden en effektivitet på 100 %, eller i det mindste vil power IN være lig med power OUT.
Klasseinddeling
Hvis brugere nogensinde har set på specifikationerne for lydeffektforstærkere, kan de have bemærket udstyrsklasser, norm alt angivet med bogstavet ellerto. De mest almindelige bloktyper, der bruges i hjemmelyd til forbrugere i dag, er A-, A/B-, D-, G- og H-værdier.
Disse klasser er ikke simple klassifikationssystemer, men beskrivelser af forstærkertopologi, det vil sige hvordan de fungerer på kerneniveau. Mens hver type forstærker har sit eget sæt af styrker og svagheder, forbliver deres ydeevne (og hvordan de endelige egenskaber måles) den samme.
Det er at konvertere bølgeformen sendt af præ-enheden uden at indføre interferens eller i det mindste så lidt forvrængning som muligt.
Klasse A
Sammenlignet med andre klasser af lydeffektforstærkere, som vil blive beskrevet nedenfor, er Klasse A-modeller relativt simple enheder. Det definerende funktionsprincip er, at alle transducerudgangsblokke skal gennemgå en komplet 360-graders signalcyklus.
Klasse A kan også opdeles i single-ended og push-pull forstærkere. Push/pull adskiller sig fra hovedforklaringen ovenfor ved at bruge outputenheder i par. Mens begge enheder kører en fuld 360-graders cyklus, vil den ene enhed bære det meste af belastningen under den positive del af cyklussen, mens den anden vil bære mere af den negative cyklus.
Den største fordel ved dette kredsløb er reduceret forvrængning sammenlignet med single-ended designs, da selv ordreudsving er elimineret. Derudover er klasse A push-pull designs mindre følsomme over for støj.
På grund af de positive egenskaber, der er forbundet med klasse A-ydelse, betragtes den som guldstandarden for lydkvalitet i mange akustiske applikationer. Disse designs har dog en vigtig ulempe - effektivitet.
Krav til klasse A transistorlydforstærkere for at have alle udgangsenheder tændt til enhver tid. Denne handling fører til et betydeligt tab af energi, som til sidst omdannes til varme. Dette forværres yderligere af det faktum, at klasse A-design kræver relativt høje niveauer af hvilestrøm, som er mængden af strøm, der flyder gennem output-enhederne, når forstærkeren producerer nul output. Virkningsgraden i den virkelige verden kan være i størrelsesordenen 15-35 %, med enkeltcifre mulige ved brug af meget dynamisk kildemateriale.
Klasse B
Mens alle outputmekanismerne i en klasse A-lydforstærker tager 100 % af tiden at fungere, bruger klasse B-enhederne push-pull-kredsløb, således at kun halvdelen af outputenhederne er ledende på noget tidspunkt.
Den ene halvdel dækker +180 graders delen af bølgeformen, mens den anden halvdel dækker -180 graders sektionen. Som en konsekvens er klasse B-forstærkere væsentligt mere effektive end deres klasse A-modstykker med et teoretisk maksimum på 78,5 %. På grund af den relativt høje effektivitet er klasse B blevet brugt i nogle professionelle PA-transducere samt nogle hjemmerørforstærkere. På trods af demåbenlys styrke, er chancerne for at erhverve en klasse B blok til et hus praktisk t alt nul. En undersøgelse af lydforstærkeren viste årsagen til dette, kendt som crossover-forvrængning.
Problemet med latens i overdragelse mellem enheder, der behandler den positive og negative del af bølgeformen, anses for at være betydelig. Det siger sig selv, at denne forvrængning er hørbar i tilstrækkelige mængder, og mens nogle Klasse B-designs var bedre end andre i denne henseende, fik Klasse B kun ringe anerkendelse fra entusiaster med rent lyd.
Klasse A/B
Rørlydforstærkeren kan findes i mange koncertsteder. Den har høj ydeevne og overophedes ikke. Derudover er modellerne meget billigere end mange digitale blokke. Men der er også afvigelser. Et sådant modul fungerer muligvis ikke med alle lydformater. Derfor er det bedre at bruge udstyr som en del af et generelt signalbehandlingskompleks.
Klasse A/B kombinerer det bedste fra hver enhedstype for at skabe en enhed uden ulemperne ved nogen af dem. Med denne kombination af fordele dominerer klasse A/B-forstærkere stort set forbrugermarkedet.
Løsningen er faktisk ret enkel i konceptet. Hvor klasse B bruger en push-pull-enhed, hvor hver halvdel af udgangstrinnet leder 180 grader, øger klasse A/B-mekanismer den til ~181-200 grader. Således er dermeget mindre tilbøjelige til at få en "rivning" i løkken, og derfor falder crossover-forvrængningen til det punkt, hvor det ikke betyder noget.
Valve lydeffektforstærkere kan absorbere denne interferens meget hurtigere. Takket være denne egenskab kommer lyden meget renere ud af enheden. Modeller med disse egenskaber bruges ofte til at transformere lyden af akustiske og elektriske guitarer.
Det er tilstrækkeligt at sige, at Klasse A/B lever op til dets løfte, og let udkonkurrerer rene Klasse A-konstruktioner med ~50-70 % ydeevne i den virkelige verden. Faktiske niveauer afhænger selvfølgelig af, hvor meget forstærkeren er offset, samt programmateriale og andre faktorer. Det er også værd at bemærke, at nogle klasse A/B-designs går et skridt videre i deres søgen efter at eliminere crossover-forvrængning ved at arbejde i ren klasse A-tilstand op til et par watts effekt. Dette giver en vis effektivitet ved lave niveauer, men sikrer, at forstærkeren ikke bliver til en ovn, når der tilføres en stor mængde strøm.
Klasse G og H
Endnu et par designs designet til at forbedre effektiviteten. Fra et teknisk synspunkt er hverken klasse G eller klasse H forstærkere officielt anerkendt. I stedet er de variationer over klasse A/B-temaet ved hjælp af henholdsvis busspændingskobling og busmodulation. Under alle omstændigheder bruger systemet en lavere busspænding under lave krav end en tilsvarende klasse A/B forstærker, hvilket væsentligtreducerer strømforbruget. Når der opstår høje effektforhold, øger systemet dynamisk busspændingen (dvs. skifter til højspændingsbussen) for at håndtere transienter med høj amplitude.
Der er også fejl. Den vigtigste blandt dem er de høje omkostninger. De originale netværkskoblingskredsløb brugte bipolære transistorer til at styre outputstrømmene, hvilket tilføjede kompleksitet og omkostninger. Højkvalitets rør-lydfrekvensforstærkere af denne type er almindelige, selvom prisen starter ved 50 tusind rubler. Blokken betragtes som en professionel teknik til at arbejde på scenen eller optage i et studie. Der er problemer med transistorer. Under langvarig belastning kan nogle af dem fejle.
I dag er prisen ofte reduceret til en vis grad ved at bruge højstrøms MOSFET'er til at vælge eller ændre guider. Brugen af MOSFET'er forbedrer ikke kun effektiviteten og reducerer varme, men kræver også færre dele (typisk én enhed pr. gevind). Ud over omkostningerne ved bus-omskiftning, selve moduleringen, er det også værd at bemærke, at nogle klasse G-forstærkere bruger flere output-enheder end et typisk klasse A/B-design.
Et par enheder vil fungere i typisk A/B-tilstand, drevet af lavspændingsskinnerne. I mellemtiden er den anden på standby for at fungere som en spændingsforstærker, kun aktiveret afhængigt af situationen. Tåler høje belastninger kun klasse G og H,forbundet med kraftige forstærkere, hvor den øgede effektivitet betaler sig. Kompakte designs kan også bruge klasse G/H-topologier i modsætning til A/B, da evnen til at skifte til lavenergitilstand betyder, at de kan slippe af sted med en lidt mindre heatsink.
Klasse D
Denne type enhed giver dig mulighed for at skabe dine egne modulære systemer. Ved hjælp af udstyret foregår en højkvalitetsbehandling af hele den udgående strøm. Design af lydfrekvenseffektforstærkere giver dig mulighed for at skabe dit eget multimediesystem til arbejde eller underholdning. Der er dog nogle nuancer her. Klasse D-konvertere, der ofte fejlagtigt kaldes digital forstærkning, er en garanti for enhedseffektivitet og opnår gevinster på over 90 % i faktisk test.
Først er det værd at overveje, hvorfor dette er klasse D, hvis "digital forstærkning" er forkert. Det var bare det næste bogstav i alfabetet, med C-klassen brugt i lydsystemer. Endnu vigtigere, hvordan 90%+ effektivitet kan opnås. Mens alle de tidligere nævnte forstærkerklasser har en eller flere udgangsenheder, der konstant er aktive, selv når konverteren faktisk er i standby-tilstand, slukker klasse D-enheder dem hurtigt og tænder dem. Dette er ret praktisk og gør det muligt kun at bruge modulet på de rigtige tidspunkter.
For eksempel beregningen af klasse T-lydforstærkere, som erTripaths klasse D-implementering bruger, i modsætning til den grundlæggende enhed, koblingsfrekvenser i størrelsesordenen 50 MHz. Udgangsenheder styres norm alt af pulsbreddemodulation. Dette er, når firkantbølger af forskellig bredde genereres af en modulator, der præsenterer et analogt signal til afspilning. Med streng kontrol af outputenheder på denne måde er 100 % effektivitet teoretisk muligt (selvom det åbenbart ikke kan opnås i den virkelige verden).
Når du graver ind i verden af klasse D-lydforstærkere, kan du også finde omtale af analoge og digit alt styrede moduler. Disse kontrolblokke har et analogt indgangssignal og et analogt styresystem, norm alt med en vis grad af feedbackfejlkorrektion. På den anden side anvender digitale konverteringsklasse D forstærkere digital styring, som skifter effekttrinnet uden fejlkontrol. Denne beslutning finder også godkendelse, ifølge anmeldelser fra mange købere. Prissegmentet er dog meget højere her.
Lydforstærkerforskning har vist, at analog-drevet klasse D har en ydeevnefordel i forhold til digital analog, da den typisk tilbyder lavere udgangsimpedans (modstand) og forbedret forvrængningsprofil. Dette hæver systemets startværdier ved dets maksimale belastning.
Parametrene for lydfrekvensforstærkerne er meget højere end for de grundlæggende modeller. Det skal forstås, at sådanne beregninger kun er nødvendige for at skabe musik i studiet. For almindelige købere, disseegenskaber kan springes over.
Sædvanligvis et L-kredsløb (induktor og kondensator) placeret mellem forstærkeren og højttalerne for at reducere støjen i forbindelse med klasse D-drift. Filteret er af stor betydning. Dårligt design kan kompromittere effektivitet, pålidelighed og lydkvalitet. Derudover har feedback efter outputfilteret sine fordele. Selvom design, der ikke bruger feedback på dette trin, kan tune deres respons til en specifik impedans, når sådanne forstærkere har en kompleks belastning (dvs. en højttaler frem for en modstand), kan frekvensresponsen variere betydeligt afhængigt af belastningen på højttaleren. Feedback stabiliserer dette problem ved at give et problemfrit svar på komplekse belastninger.
I sidste ende har kompleksiteten af klasse D-lydforstærkere sine fordele. Effektivitet og som et resultat mindre vægt. Da der bruges relativt lidt energi på varme, kræves der meget mindre energi. Som sådan bruges mange klasse D-forstærkere i forbindelse med switched-mode strømforsyninger (SMPS). Ligesom udgangstrinnet kan selve strømforsyningen hurtigt tændes og slukkes for at regulere spændingen, hvilket resulterer i yderligere effektivitetsgevinster og evnen til at reducere vægten i forhold til traditionelle analoge/lineære strømforsyninger.
Samlet set kan selv kraftige klasse D-forstærkere kun veje et par kilo. Ulempen ved SMPS strømforsyninger sammenlignet med traditionelle lineære forsyninger erat førstnævnte norm alt ikke har meget frihøjde.
Test og adskillige test af klasse D-lydforstærkere med lineære strømforsyninger sammenlignet med SMPS-moduler har vist, at dette faktisk er tilfældet. Når to forstærkere håndterede nominel effekt, men en med en lineær strømforsyning, kunne producere højere dynamiske effektniveauer. Men SMPS-design bliver mere almindeligt, og du kan forvente at se bedre næste generation af klasse D-enheder, der bruger lignende former i butikkerne.
Sammenligning af effektiviteten af klasserne AB og D
Selvom effektiviteten af en klasse A/B transistoriseret lydeffektforstærker stiger, når den maksimale udgangseffekt nærmer sig, opretholder klasse D-design høj effektivitet over de fleste driftsområder. Som et resultat hælder effektivitet og lydkvalitet i stigende grad mod den sidste blok.
Brug én transducer
Når de er implementeret korrekt, kan enhver af ovenstående blokke uden for klasse B danne grundlaget for en high fidelity-forstærker. Bortset fra potentielle faldgruber i ydeevnen (som primært er en designbeslutning snarere end klassespecifik), er valg af bloktype i høj grad et spørgsmål om omkostninger kontra effektivitet.
På dagens marked dominerer den simple klasse A/B-lydforstærker, og det er der god grund til. Det fungerer meget godt, er relativt billigt, og detseffektiviteten er ganske tilstrækkelig til laveffektapplikationer (>200W). Da konverterproducenter forsøger at skubbe til rammen med for eksempel 1000W Emotiva XPR-1 monoblokken, vender de sig naturligvis til G/H- og D-klassedesign for at undgå at duplikere deres forstærkere som systemer, der er i stand til hurtigt at varme udstyr op. I mellemtiden er der på den anden side af markedet klasse A fans, som kan tilgive enhedens manglende effektivitet i håbet om en renere lyd.
Resultat
Konverterklasser er jo ikke nødvendigvis så vigtige. Selvfølgelig er der faktiske forskelle, især når det kommer til omkostninger, forstærkereffektivitet og derfor vægt. Selvfølgelig er 500W klasse A apparater en dårlig idé, medmindre brugeren selvfølgelig har et kraftigt kølesystem. På den anden side bestemmer forskelle mellem klasser ikke lydkvaliteten. I sidste ende handler det om at udvikle og implementere dine egne projekter. Det er vigtigt at forstå, at transducere kun er én enhed, der er en del af lydsystemet.
