И какой стоит предпочесть

Транзисторные и цифровые усилители - в чём разница?

И какой стоит предпочесть

Строго говоря, вопрос, вынесенный в заголовок, более строго будет звучать так – в чём разница между усилителями, работающими в классе A, либо A/B, и в классе D? Ибо не все транзисторные усилители относятся к первому типу, а называть усилители класса D «цифровыми» можно лишь с оговорками. Итак, в чём плюсы и минусы этих подходов – попробуем разобраться.

Нестареющая классика

Сначала немного истории. В далеком 1916 году американская компания General Electric впервые запатентовала принцип усиления электрического сигнала. В качестве усилительного элемента использовался вакуумный триод, состоящий из размещенных в вакууме катода, анода и управляющей сетки между ними. При подаче напряжения на катод и анод, между ними возникает поток электронов. Расположенная между этими электродами управляющая сетка может регулировать этот поток в зависимости от приложенного к ней потенциала – чем он выше, тем меньше электронов попадает от катода к аноду. Момент, когда поток электронов совсем прекращается, называют закрытием триода. Если к катоду и аноду подключить динамик или акустическую систему, то подав на управляющую сетку сигнал от источника, получаем простейший усилительный каскад, работающий в классе A.

Но сигналы, с которыми работают усилители звука, по сути – переменные, то есть, имеют положительную и отрицательную полуволны. При прохождении положительной полуволны триод будет корректно повторять с увеличенной амплитудой её форму на выходе, но когда положительную сменит отрицательная полуволна – лампа окажется в закрытом состоянии. Чтобы этого избежать «нулевой» уровень входного сигнала смещают в середину рабочего диапазона лампы. Таким образом, при работе с положительной полуволной сигнала триод открывается сильнее, а при обработке отрицательной – лампа будет закрываться от среднего уровня, но полностью не закроется.

Усилительный каскад класса A отлично себя ведет на небольших уровнях громкости, когда рабочий диапазон триода с запасом покрывает амплитуду выходного сигнала. Но по мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона лампы или транзистора, начинают расти искажения. Причем, растут они по экспоненте по мере приближения к полностью открытому или полностью закрытому состоянию усилительного элемента.

Кроме того, такие каскады отличаются невысоким КПД, который в большинстве реализаций не превышает 20 – 25%. Причиной столь низкого КПД стало потребление триодом энергии при отсутствии полезного сигнала. Напомним, в этом случае триод находится в полуоткрытом состоянии, в результате чего большая часть энергии (до 70 процентов) преобразуется в тепло.

Чтобы этого избежать инженеры предложили отказаться от смещения, а разные полуволны сигнала обрабатывать отдельными усилительными элементами, включенными «зеркально». Так появился усилитель класса B. Отсутствие смещения существенно повысило энергоэффективность усилителя. Кроме того, теперь для обработки каждой полуволны можно использовать весь рабочий диапазон усилительного элемента, а не его половину, что позволяет при применении одинаковых комплектующих поднять выходную мощность усилителя. Однако, здесь возникает проблема переходных процессов из открытого состояния триодов в закрытое, которые требуют времени. В результате возникающие искажения сигнала сделали невозможным использование усилителей, работающих в чистом классе B, для аудио.

Тогда было предложено компромиссное решение, объединившее подходы классов A и B, предсказуемо названное классом A/B. Чтобы избавиться от проблем переходных процессов, характерных для класса B, оба триода в плечах работают со смещением, что предотвращает их полное закрытие и устраняет связанные с этим временные задержки. Но величина этого смещения для класса A/B существенно меньше, чем в классе A. Кроме того, введение смещения позволило на небольших уровнях громкости усилителю по-прежнему работать в чистом классе A, переходя в A/B лишь по мере роста выходной мощности. В результате каскады, работающие в классе A/B, хоть и уступают по величине КПД усилителю класса B, но существенно опережают по этому показателю усилители класса A, достигая в грамотных реализациях КПД 70 процентов. А использование двух усилительных элементов в «зеркале» позволяет существенно повысить выходную мощность.

Свежий взгляд

Так называемые «цифровые» усилители, работающие в классе D, вывели энергоэффективность на недосягаемый для классов A и A/B уровень, позволив отказаться от громоздких систем охлаждения транзисторов выходных каскадов и массивных блоков питания. Такие усилители, как правило, компактны и легки, что вызывает определенный скепсис у консервативных аудиофилов. Здесь для усиления применяется совершенно иной принцип, использующий широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Входной сигнал модулирует несущую частоту, выбранную в сверхвысокочастотной области (сотни мегагерц). Для этого используется СВЧ-генератор импульсов несущей частоты и компаратор. На выходе получается последовательность импульсов равной амплитуды, но различной продолжительности, следующих с несущей частотой. Эти импульсы усиливаются транзисторами, работающими с очень высокой скоростью в ключевом режиме (то есть, находясь лишь в двух состояниях – закрытом или открытом). Далее осуществляется демодуляция усиленного сигнала с помощью обычного LC-фильтра, параллельно отсекающего несущую частоту и высокочастотные шумы.

Ключевой режим работы транзисторов является главной особенностью и преимуществом усиления в классе D. Кстати, именно эта особенность приклеила к таким усилителям ярлык «цифровые» – ключевой режим по сути – двоичный. Использование ключевого режима работы транзисторов теоретически позволяет получить КПД усилителя близкий к 100%. На практике грамотные реализации усиления в классе D показывают КПД, превышающий 90 процентов. Как следствие, для таких усилителей не нужны массивные радиаторы охлаждения выходных каскадов, а мощность блока питания при сравнимой выходной мощности требуется значительно более скромная. Кроме того, усилители класса D характеризуются очень высоким значением коэффициента демпфирования, что позволяет им уверенно справляться с самой «тяжелой» нагрузкой.

Но повсеместное применение таких усилителей в аудиосистемах, особенно топ-уровня, сдерживает целая группа факторов. Во-первых, соседство СВЧ-генератора, являющегося мощным источником электромагнитных помех, с низкочастотными аудиоцепями не сулит ничего хорошего для звука, что заставляет разработчиков искать методы борьбы с последствиями такого соседства. Кроме того, следствием высокого КПД усилителя стало более сильная, чем у аппаратов, работающих в классе A и A/B, зависимость качества звучания от совершенства блока питания – то есть, от способности этого блока обеспечивать усилитель чистым питанием, лишенным высокочастотных шумов. И здесь перед инженерами открывается широкое поле для творчества – от использования классических линейных блоков питания до разработки малошумящих импульсных, пригодных для работы в аудиокомпонентах без ущерба качеству звучания.

В последние годы появление более совершенной элементной базы дало толчок практически революционному развитию усилителей класса D, которые заявили о себе в областях, совсем недавно для них недоступных – к примеру, в технике High End. Ломая сложившиеся стереотипы, которые в этом сегменте крайне сильны, они доказывают на практике свое право на жизнь, принося радость самым требовательным к качеству звучания любителям музыки.

Редакция Hi-Fi.ru