Типы и виды усилителей

Усилитель — устройство для увеличения уровня сигналов с использованием энергии вспомогательного источника питания.

Усилители различают:

• По виду усиливаемой физической величины (усилители напряжения, тока, напряжения и тока, мощности)
• По диапазону усиливаемых частот (усилитель постоянного тока, усилители переменного тока), они подразделяются на: усилители низких частот (УНЧ), усилители высоких частот (УВЧ) (в том числе усилители СВЧ-диапазона частоты выше 300 мГц), оптические усилители, широкополосные, узкополосные, избирательные усилители, усилители с управляемой полосой усиливаемых частот.
• По виду соединения между каскадами. В многокаскадных усилителях различают усилители с гальванической, емкостной и трансформаторной связью.
• По виду нагрузки (усилители с активной, ёмкостной и индуктивной нагрузкой)
• По способу усиления (электронные, магнитные, электромашинные, оптические или квантовые, параметрические усилители).

Усилители строятся на базовых компонентах выполняющих роль усилинения, так они делятся на:

1. Ламповые усилители — состоят из элементов усиления в виде электровакуумных электронных ламп.

2. Транзисторные усилители — оконечный каскад содержит в себе полевые или биполярные тразисторы.

3. Усилители на интегральных схемах (микросхемах) — могут содержать в как себе предварительные, так и оконечные усилители.

4. Гибридные усилители — части каскадов могут быть собраны на электронных лампах, и в том числе на основе полупроводниковых элементов.

Специфика усилителей работающих с аудио сигналами состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной равными по амплитуде составляющими. В процессе усиления из входного сигнала образуется более мощный выходной сигнал, параметры которого основываются изначальных параметрах входящего. Степень схожести формы сигналов определяет точность воспроизведения усилителя.

Класс усилителя — уровень выходного сигнала. У одних классов усилителей, таких как A, B и D,меньше степень искажения сигнала, что крайне важно, когда речь идёт об усилении низкочастотных широкополосных сигналов, таких как сигналы звука, где искажения напрямую влияют на качество звучания. Главное преимущество других — большая эффективность работы, к таким относятсяклассы C, E и F, но зачастую они подвержены сильным искажениям и не используются для усиления звука.

Стоит понимать, что единого реестра классов усилителей не существует, потому в разных областях или в разных странах одна и та же буква может означать разные устройства или наоборот. Первыми признанными классами стали основывающиеся на положении рабочей точки режимы A, B и C в 1920-ых годах. Затем, уже значительно позднее, стали появляться иные буквенные обозначения, первым из которых является усилитель класса D, пополнивший классификацию в 1955 году.

Поскольку в разных схемах каждый транзистор имеет свой режим работы, свою рабочую точку и по итогу различающуюся выходную характеристику, влияющую на то, каким будет сигнал на выходе, по ним и определяется класс усилителя.

Класс A

Рабочая точка выбирается в середине линейного участка статической характеристики

Самый схематически простой и самый первый появившийся тип усилителей. В них используют 1 выходной транзистор, который постоянно находится в рабочем состоянии и без каких-либо задержек мгновенно реагирует на изменения входящего сигнала независимо от формы.

Поскольку на входе усилитель пропускает обе полуволны ток не прерывается, а выходные значения, проходя через усилительный элемент практически не изменяются. Таким образом, исходящий сигнал полностью повторяет входящий, а мы получаем минимальные искажения и практически идеальную, считающуюся эталонной, точность воспроизведения.

К минусам данного класса усилителей относится очень низкое (не более 25%) КПД, т.е. высокое потребление электроэнергии, при повышенном выделении тепла и малой мощности. Даже когда на входе тишина транзистор остаётся открытым, работая в половину своей мощности, расходуя энергию вхолостую и быстро нагреваясь. Таким образом, усилителю A класса с хоть сколько существенной мощностью нужны мощная система охлаждения и крупные радиаторы. Также 1 проводящий элемент сам по себе имеет не самую высокую пропускную способность, потому в ситуациях когда амплитуда входного сигнала превышает определённое значение она «не проходит» через транзистор и синусоида «обрезается» в пиковых точках.

Изобретён был в 1916 году американским учёным Эрнестом Александрсоном и не сильно изменились схематически, не считая того, что в современных схемах используются не лампы, а транзисторы.

Эрнест Фредерик Уернер Александерсон 1878 г. — 1975 г.

Класс B

Рабочая точка выбирается в начале линейного участка характеристики

Вскоре как попытка решить проблемы предыдущей схемы появилась альтернатива, в которой режим работы ламп предусматривал отсечку в течении половины и более чем половины периода. После этого, в 1919 году, Джон Моркрофт и Харольд Фрис предложили классификацию режимов работы под буквами A, B и C, которая в 1931 году была признана IRE как отраслевой стандарт. Сейчас нас интересует режим работы с отсечкой половины периода, это и есть класс B.

В нем 1 транзистор способен воспроизводить только 1 половину волны, потому применяются два зеркально расположенных транзистора, каждый из которых усиливает свою. Верхний (NPN) — положительную, а нижний (PNP) — отрицательную, после чего они соединяются. Пока работает один транзистор второй остаётся выключенным.

Эффективность такого метода существенно выше, чем у класса А. Как минимум при тех же условиях 2 полупериодных транзистора будут в 2 раза мощнее одного полнопериодного. Главным же критическим минусом такой схемы является то, что транзисторы, чередуя друг друга, включаются с задержкой, что очень сильно искажается сигнал, потому в чистом виде данный класс усилителей практически не используется.

Класс АB

Этот класс является основной причиной того почему класс B отошел на второй план. Как и следует из названия, он представляет собой компромиссную комбинацию усилителей классов A и B. Его КПД гораздо выше, чем у A класса, но искажение сигнала гораздо ниже, чем у B класса.

Достигается это за счёт смещения периода волны тока, как у класса B, но значительно меньшего, минимизирующего искажения и покрывающего те моменты, когда транзистор близок к закрытию незаметно преодолевая нулевую точку. Другим интересным эффектом является то, что при малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения, такой усилитель может работать как класс А.

Благодаря относительно простой изначальной схеме и оптимальным характеристикам AB по сей день является одним из наиболее распространённых классов усилителей. Они крайне распространены и не требовательны к выбору остального оборудования, будет справедливо сказать, что значительная доля акустических систем выпускается на рынок с расчетом на работу именно с такими усилителями. При усилении звука объективные недостатки этого класса ситуативные и о них можно говорить только при сравнении с другими усилителями. Например считается, что он несколько уступает в точности воспроизведения классу А, поскольку в нём сигнал изменяется при разделении между 2 транзисторами.

Также существует дополнительная классификация режимов AB1 и AB2, отличающаяся присутствием тока на сетки лампы. Если ток на сетке не постоянный и течет в рамках определённого цикла, то это 1, а если ток присутствует на сетке лампы всегда — 2. AB2 требует более кропотливых расчетов. Эта классификация имеет смысл для ламповых усилителей, в случае транзисторных усилителей она не имеет смысла, так как транзисторы устроены иначе и их базовый ток течет постоянно до тех пор, пока транзистор не закроется.

Класс C

Рабочая точка выбирается ниже начала линейного участка статической характеристики

Усилители классов A, B и AB иногда называют линейными, поскольку их исходящий сигнал имеет линейную зависимость от входящего сигнала. Класс C в свою очередь назвать линейным по этому критерию нельзя.

В этом классе при усилении элемент работает менее 50% всего времени, а происходит момент открытия только тогда, когда сигнал на входе начинает превышать определённый уровень мощности. Таким образом, волна отсекается так, что усиливается только малая часть синусоиды, что приводит к крайне сильным нелинейным искажениям сигнала.

Из-за своих особенностей он достигает максимальных значений эффективности, но его нелинейные искажения настолько велики, что он просто не подходит для усиления всех видов сигнала, в особенности для усиления амплитудно-модулированных сигналов и звука. Тем не менее, такие усилители очень эффективны для сигналов, в которых информация заключена в изменении фазы несущего колебания, например фазовая модуляция.

Классы D и E

Управляющий элемент работает в ключевом режиме, находясь либо в полностью закрытом, либо в полностью открытом состояниях.

Усилитель класса D основан на принципе ШИМ (Широтно-Импульсной Модуляции). Суть модуляции заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом несущую частоту. При воспроизведении происходит обратная последовательность: из модулированной несущей выделяется полезный сигнал. Такой метод используется для приведения сигнала в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным.

Это уже более схематически сложный класс. В его основе лежит генератор СВЧ импульсов и компаратор — устройство модулирующее импульсы соответственно форме входящего аналогового сигнала. Затем модулированный сигнал усиливается с помощью пары симметрично включённых быстродействующих транзисторов, после чего фильтр демодулирует сигнал и отсекает несущую частоту и высокочастотный шум.Иногда его называют «цифровой усилитель», что является не верным.

В наше время класс D распространён на ровне с классом AB и применяется в самых разных устройствах.

Использовать схемотехнику такого типа предложили несколько учёных независимо друг от друга, первым из них был Дмитрий Агеев в 1951 году, но элементная база того времени долго не позволяла добиться должного качества звучания, так как транзисторы с подходящими характеристиками появились только в 1980-ых годах.

Дмитрий Васильевич Агеев 1922 г. — 1997 г.

Класс E чаще упоминается в зарубежной литературе. Этот класс часто выделяют как отдельный от класса D тип усилителей ВЧ поскольку при работе транзистора в ключевом режиме на низких и высоких частотах заметны существенные отличия.

При работе с высокими частотами класс D сам по себе имеет низкое КПДиз-за множества особенностей. В усилителях E класса используется малый ток или напряжение, а схема спроектирована таким образом, чтобы ключ закрывался только момент когда напряжение на нем проходит через нуль, благодаря чему минимизируются потери. В аудиотехнике у него нет применения, но используется для усиления сигналов радиочастотного диапазона с угловыми видами модуляции.

Класс F

Это класс узкополосных усилителей, в которых рабочая точка выбирается в начале нелинейного участка (т.е. через транзистор протекает половина волны), как у класса B. Отличия заключаются в схеме нагрузки, в качестве которой используется многоконтурный фильтр, формирующий прямоугольное напряжение на коллекторе.

Благодаря такой конструкции в момент протекания тока напряжение на транзисторе близко к нулю, благодаря чему получается достичь максимально возможных значений КПД. Но такой усилитель подходит только для усиления сигналов амплитудными видами модуляции.

Классы G и H

Когда эти классы усилителей только появились их часто путали, а иногда путают и сейчас, поскольку они работают по схожему принципу и имеют много сходств. По сути родственные усилители классу AB, но с дополнительными источниками напряжения, благодаря чему превосходят его в плане энергоэффективности. Дело в том, что обычно звуковой сигнал нелинейный и большую часть времени находится на малом и среднем уровне, не требуя от усилителя постоянно большого уровня мощности. Но часто, например, в сигнале несущем музыку, важно передать динамические всплески, которые требуют значительно больше энергии, потому усилитель AB приходится держать в излишне энергозатратном режиме, несмотря на то, что энергетические всплески достаточно редки и фактически более выгодным является энергопотребление близкое к минимальной мощности сигнала.

В 1977 году компанией Hitachi был впервые запущен в серийное производство усилитель названный классом G, которой использовал больше источников питания. Благодаря такому устройству стало возможно изменять мощность и энергопотребление усилителя в необходимые моменты. Затем1981 году Боб Карвер представил свой усилитель с принципиально аналогичной схемой, которая была им неофициально названа «классом H». С течением времени конструкция несколько поменялась, и появился современный «класс H», а предыдущие его вариации сейчас определяются как «класс G».

Класс G работает большую часть времени аналогично классу AB, но как только уровень мощности сигнала поднимается включается дополнительное питание, которое позволяет усилителю работать с сигналом большей амплитуды, до того момента пока мощность не понизится, а вместе с ней и напряжение. Таких дополнительных уровней напряжения может быть несколько, из-за чего появляются «ступени» каскадов питания.

Класс H отличается от класса G процессом изменения уровня питания. В нем используется один плавно изменяемый уровень дополнительно питающего напряжения, которое добавляется не ступенчато при превышении заданного порога, а сообразно величине нарастания и понижения уровня мощности сигнала. При этом, также как и класс G, при малых уровнях сигнала он работает аналогично классу AB.

Главным минусом этих классов усилителей является узкая сфера применения, в которой их использование будет целесообразно. Их конструкция значительно сложнее класса AB, при этом в сравнении с D классом G и H дают не настолько значительный прирост энергоэффективности, потому на деле используются они значительно реже.