Усилители класса G — как они работают

Класс работы усилительных каскадов не имеет ничего общего со степенью совершенства вашего усилителя. Потому именуются эти классы не привычными с советских времен терминами «высший», «первый» или «второй», а безликими литерами латинского алфавита. Что скрывается за ними? Давайте разбираться.

Класс, в котором работает каскад усиления, определяет принцип, на котором базируется схемотехническое решение этого каскада. В то время как конкретная реализация и используемые комплектующие будут серьезно влиять как на инструментальные параметры конкретной модели усилителя, так и, что более важно, на качество его звучания. Но, при этом, общие характерные особенности внутри класса будут сохраняться.

Сначала была буква A

Впервые принцип усиления электрического сигнала был запатентован компанией General Electric более ста лет назад, в далеком 1916 году. Для реализации этого принципа, в дальнейшем получившим название «класс A», достаточно одного усилительного элемента – транзистора или лампы. Понятно, что в то время транзисторов ещё не было, потому будем говорить о лампе, хотя ровно те же подходы реализуются и с использованием транзисторов. Итак, вакуумный триод имеет три элемента, заключенных в колбу с сильно разреженным газом – катод, анод и управляющая сетка. Если приложить напряжение к катоду и аноду, то между ними возникает поток электронов. Управляющая сетка располагается между этими электродами и, в зависимости от приложенного к ней потенциала, регулирует этот поток, подобно вентилю на водопроводной трубе. Чем выше приложенный к сетке потенциал – тем меньше электронов попадает от катода к аноду. Вплоть до полного прекращения потока – этот момент называется закрытием лампы. Подключив нагрузку, в качестве которой может выступать динамик или акустическая система, к аноду и катоду, и подав на управляющую сетку входной сигнал от источника, получаем простейший усилительный каскад, работающий в классе A.

Правда, здесь есть один нюанс – усилители звука работают с переменными сигналами звуковых частот, имеющими положительную и отрицательную составляющие. И если при прохождении положительной полуволны лампа будет корректно отрабатывать её форму на выходе, то когда подойдет очередь отрицательной полуволны – триод будет в закрытом состоянии, а на выходе будет гробовая тишина. Чтобы этого не происходило «нулевой» уровень входного сигнала смещают в середину рабочего диапазона лампы. Таким образом, обрабатывая положительную полуволну лампа открывается сильнее, а при работе с отрицательной полуволной триод начинает закрываться от средней точки, но не доходит до состояния полного закрытия. Именно это смещение обуславливает характерные особенности усилительных каскадов, работающих в классе A.

Неоспоримыми плюсом такого решения является то, что усилительный элемент всегда работает в середине своего рабочего диапазона, то есть, всегда готов незамедлительно реагировать на изменения входного напряжения. Кроме того, этот элемент в схеме работает автономно, то есть, отсутствует проблема тщательного подбора комплектующих для совместной работы.

Обратной стороной медали стал невысокий КПД таких каскадов, достигающий в лучших своих реализациях 25-30%. Дело в том, что при отсутствии сигнала на входе триод полуоткрыт и фактически расходует энергию впустую. Эта энергия (70 – 75%!) преобразуется в тепло, что, во-первых, заставляет реализовывать громоздкие системы охлаждения, а, во-вторых, ведет к ускоренному износу элементов схемы. Кроме того, каскад в классе A отлично работает на малых уровнях громкости, когда амплитуда выходного сигнала с запасом укладывается в рабочий диапазон триода. При увеличении громкости, по мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона усилительного элемента, начинают расти искажения. Причем, при приближении к полностью открытому или полностью закрытому состоянию, искажения растут экспоненциально.

Сказал A – говори B

При разработке усилительных каскадов класса B решили обойтись без смещения, обуславливающего проблемы класса A – для обработки каждой полуволны входного сигнала предложили использовать разные усилительные элементы, включенные зеркально. Обе таких лампы или транзистора работают с нулевым смещением – пока один из пары обрабатывает свою полуволну, второй находится в полностью закрытом состоянии. Когда подходит очередь полуволны с обратным знаком, их роли меняются. Кроме очевидно большей энергоэффективности такого подхода (нет смещения, а значит при отсутствии полезного сигнала на входе оба элемента каскада находятся в закрытом состоянии и практически не потребляют энергию), на каждую полуволну входного сигнала приходится весь рабочий диапазон усилительного элемента. То есть, при использовании однотипных ламп или транзисторов можно получить существенно более высокую выходную мощность.

Но именно здесь кроется и самая большая проблема усилителей класса B, которая не позволила найти им широкое применение в аудио – дело в том, что переходные процессы из закрытого состояния усилительного элемента в открытое всегда требуют некоторого времени, что вызывает временные задержки. К сожалению, подобные искажения фатальным образом влияют на звук.

Класс AB – впрягаем коня и трепетную лань

Название этого класса отражает его суть – это гибридное решение, опирающееся на принципы усиления, реализованные в классах A и B, и призванное решить присущие этим классам проблемы. Прежде всего, нужно было избавиться от задержек, вызванных переходными процессами при работе усилительных элементов в классе B. Для этого оба транзистора были включены со смещением, что не позволило элементам в процессе работы полностью закрываться, а значит – устранило связанные с этим задержки. Но величина этого смещения была выбрана существенно меньшей, чем в классе A. Кроме того, введение такого смещения позволило на малых уровнях сигнала (определяемых величиной выбранного смещения) усилительному каскаду работать в чистом классе A, а в класс AB переходить только по мере роста выходной мощности.

По энергоэффективности класс AB гораздо ближе к классу B, хотя и уступает ему. Тем не менее, КПД лучших реализаций усилителей, работающих в классе AB, может достигать 70-75%. При этом, класс AB способен обеспечить ощутимо большую выходную мощность, чем каскады, работающие в классе A, практически не уступая им по качеству звучания на малых уровнях громкости, но сильно опережая по качеству звучания на тихой музыке усилители класса B.

Класс G – эволюция класса AB

При разработке класса G инженеры успешно решили задачу дальнейшего повышения энергоэффективности усилительных каскадов, работающих в классе AB. То есть, класс G по сути стал эволюционным развитием класса AB с большим КПД, что позволило делать усилители компактнее и легче.

Принцип, заложенный в усилители класса G, использует неравномерность уровня музыкального сигнала. Зачастую, большую часть времени музыка звучит на средних и низких уровнях громкости, для которых не требуется большая выходная мощность. Появилась идея использования для усилительных каскадов не одной, а нескольких шин питания разной мощности, которые бы переключались в зависимости от уровня входного сигнала. То есть, фактически речь идет о реализации следящего питания. Впервые подобные решения разработал инженер NASA Мануэль Крамер в далеком 1964 году, а уже в 1977 году японская корпорация Hitachi поставила на конвейер усилители, базирующиеся на этом принципе.

При этом, схемотехника самих каскадов усиления повторяет принципы, заложенные в классе AB. Более того, подобно тому, как на малых уровнях громкости усилители класса AB работают в чистом классе A, так и усилители класса G работают с тихими сигналами как усилители класса AB. Отличие состоит в блоке питания, способном не только формировать несколько шин разной мощности, но и переключать их в зависимости от уровня входного сигнала. Таким образом, усилитель обеспечивает повышенную выходную мощность только в те моменты, когда это действительно необходимо. Причем, таких ступеней управления питанием (и мощностью) может быть несколько. Учитывая, что энергичные всплески в музыкальных произведениях происходят сравнительно редко, в среднем усилитель большее время работает на малой мощности.

Вывод:

Редакция Hi-Fi.ru