Транзисторный усилитель класса А – энциклопедия

В сравнительно недавнем советском прошлом термин “класс” в отношении аудиотехники не вызывал никаких двусмысленностей и воспринимался буквально – этот параметр определял уровень качества (класс) того или иного компонента. Соответственно, «в ходу» были «высший», «первый», «второй» классы и далее по списку. Однако, радиоинженеры, которые проектировали для нас эту технику, этот термин понимали совсем иначе. Как? Давайте разбираться.

В радиоэлектронике термин “класс” определяет схемотехнику и базовые принципы работы каскада усиления. Традиционно классы именуются буквами латинского алфавита, и лидирующая “A” отдана устройству, с которого началась более чем столетняя история электронного звукоусиления. В 1916 году инженер Эрнст Александерсон, работающий в американской компании General Electric, получил патент, в котором впервые был изложен принцип усиления электрического сигнала. Конечно, в то время никаких транзисторов ещё не было, и речь в патенте шла о работе электронной лампы – вакуумного триода. Напомним суть работы триода – внутри колбы, из которой откачан воздух, размещаются электроды катода и анода, а также управляющая сетка между ними. Если к электродам приложить напряжение, то между ними возникает поток электронов, движущихся от катода к аноду. Прикладывая потенциал к управляющей сетке можно менять интенсивность этого потока – чем выше этот потенциал, тем менее насыщенным будет поток. То есть, фактически напряжение на сетке модулирует напряжение между катодом и анодом. При определенном значении напряжения на управляющей сетке поток электронов вовсе иссякнет – триод закроется. Если управляющую сетку рассматривать как вход, а к катоду и аноду подключить нагрузку, то перед нами будет простейший усилительный каскад.

И здесь есть одна проблема. Дело в том, что звуковой электрический сигнал является переменным – то есть, имеет как положительную, так и отрицательную полуволны. Когда на управляющей сетке оказывается положительная полуволна, триод её точно повторяет на выходе с большей амплитудой, как и задумано. Но когда подходит очередь отрицательной полуволны триод остается в закрытом состоянии, фактически обрезая половину сигнала, что, по понятным причинам, допускать никак нельзя. Чтобы этого не случалось было предложено сместить уровень входного сигнала, принятый за “ноль”, в середину рабочего диапазона усилительного элемента. То есть, обрабатывая положительную полуволну, триод открывается сильнее от середины своего рабочего диапазона, а при работе с отрицательной полуволной начинает закрываться от той же отметки – вплоть до полного закрытия или открытия в первом случае. Это и есть усилительный каскад, работающий в классе A.

Когда в 1928 году был изобретён полевой транзистор, а в 1947 году благодаря усилиям компании Bell Labs свет увидел его биполярный собрат, принципы работы усилительных каскадов в своих базовых моментах не изменились. Как известно, транзистор (например, биполярный) способен регулировать ток между эмиттером и коллектором (ток коллектора) в зависимости от тока между эмиттером и базой (ток базы или управляющий ток). Таким образом, транзисторы вполне могли заменить вакуумные лампы, обладая существенными преимуществами. Прежде всего, они были намного компактнее – достаточно вспомнить, что размер современных бескорпусных транзисторов в интегральных микросхемах исчисляется в нанометрах. Кроме того, транзисторы более энергоэффективны – им не нужны цепи накала, которые дали вакуумным радиоэлементам название “лампа”. И, как следствие, транзисторы обладают ощутимо большим ресурсом.

Но вернемся к усилителям, работающим в классе A, которые так нежно любят почитатели качественного воспроизведения музыки. И эта любовь вполне объяснима – основным преимуществом таких каскадов усиления является тот факт, что транзистор здесь всегда работает в самой линейной средней части своего рабочего диапазона. То есть, усилитель всегда готов моментально отреагировать на изменения входного сигнала, не тратя время на переключение из закрытого состояния в открытое или обратно и, соответственно, не вмешиваясь в фазу сигнала. Кроме того, в таком каскаде задействован единственный усилительный элемент, а значит отсутствует проблема идентичности характеристик транзисторов, работающих в тандеме в каскадах усиления других классов.

Однако, здесь же проявляется и обратная сторона медали – рабочий диапазон этого единственного элемента ограничивает возможности по усилению сигнала. Усилительный каскад, работающий в классе A, идеально справляется со своими задачами на небольших уровнях громкости, когда рабочий диапазон транзистора с запасом перекрывает возможную амплитуду выходного сигнала. Но выдающиеся характеристики такого каскада проявляются только на среднем участке рабочего диапазона, который отличается линейностью. Чем ближе амплитуда выходного сигнала к границе рабочего диапазона транзистора, тем выше искажения. Самое печальное, что по мере приближения к полностью закрытому или открытому состоянию усилительного элемента рост искажений приобретает экспоненциальный характер. По этой причине усилительные каскады, работающие в классе A, массово применяют в предварительных усилителях и усилителях для наушников, где не требуется высокая выходная мощность. Впрочем, это вовсе не исключает их использование в выходных каскадах усилителей, причем с весьма внушительной мощностью – просто подобные реализации очень дороги и потому встречаются только в аудиотехнике, относящейся к разряду High End.

Второй серьезной проблемой усилителей класса A стал крайне низкий коэффициент полезного действия, редко превышающий 30 процентов. Дело в том, что при отсутствии полезного сигнала на входе усилителя транзисторы находятся в полуоткрытом состоянии, то есть, через них течет ток. Утилизируется эта энергия (70 процентов от потребляемой!) в тепло, потому такие усилители оснащаются серьезными системами охлаждения, которые не дают транзисторам перегреться и выйти из строя. То есть, фактически усилитель класса A, кроме услаждения слуха, работает электрообогревателем.

И проблема здесь не столько в счетах за электроэнергию (хотя, и в них тоже) – дело в том, что такой режим работы отрицательно сказывается на ресурсе комплектующих. Кроме того, для таких усилителей при прочих равных требуются более мощные блоки питания, а также эффективные, а значит габаритные и тяжелые радиаторы охлаждения транзисторов. Все это ведет к удорожанию производства подобной техники.

Несмотря на все перечисленные особенности, а также наличие целого спектра альтернативных принципов усиления, которые являются как более поздними усовершенствованиями класса A, так и совершенно новыми разработками, этот тип усилителей не собирается на покой. В погоне за аудиофильским граалем многие любители музыки и качественного её воспроизведения готовы мириться и с высокой ценой таких компонентов, и с громоздкостью, и с немалым их весом. Да и угрызениями совести относительно урона планете они мучаются редко.

С другими классами усиления звука можно познакомиться здесь и здесь.

Редакция Hi-Fi.ru