Zesilovač je zařízení určené ke zvýšení výkonu vstupního signálu bez změny jeho tvaru. Přebytek výkonu uvolněného v zátěži zesilovače nad výkonem signálu přiváděného na jeho vstup je způsoben energií zdroje energie. Vstupní signál řídí přenos energie ze zdroje do zátěže. Blokové schéma elektronkového zesilovače je na Obr. 1. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje ekvivalentní obvody zesilovače.
Rýže. 1. Blokové schéma elektronového zesilovače
Rýže. 2. Náhradní obvody zesilovače
Zdroj vstupního signálu je zapojen paralelně se vstupním odporem Rin=Uin/Iin. Na výstupní straně může být zesilovač reprezentován jako generátor napětí nebo proudu s vnitřním odporem Rout.
V závislosti na poměru vnitřního odporu zdroje vstupního signálu (generátoru) Rгa vstupní impedance zesilovače Rin zdroj vstupního signálu může pracovat v klidovém režimu (idle), pokud Rin >>Rг, zkrat (zkrat) na Rin gi v režimu shody na RinRг.
Podle poměru RoutandRinzesilovače se dělí na zesilovače:
s potenciálním výstupem, pokud Rн >>Rout;
s proudovým výstupem, pokud Rout>> Rн;
s výstupním výkonem na RoutRн.
Proto se zesilovače rozlišují podle napětí, proudu a výkonu. Zesilovače mohou být jednostupňové nebo vícestupňové. 3.
Rýže. 3. Vícestupňový zesilovač
První kaskáda se nazývá vstupní fáze, předposlední (n– 1.) fáze se nazývá předfinální fáze, poslední fáze se nazývá konečná fáze. Spojení mezi kaskádami se dělí na kapacitní, transformátorové a galvanické.
Klasifikace zesilovačů
1) podle typu zesilovaného signálu – stejnosměrné zesilovače (DCA), zesilovače harmonických a pulzních signálů;
2) podle typu zesílené hodnoty – napěťové, proudové a výkonové zesilovače;
3) podle rozsahu zesílených frekvencí – stejnosměrný zesilovač, dělí se střídavé zesilovače; nízkofrekvenční zesilovače (LF), vysokofrekvenční zesilovače (UHF), mikrovlnné zesilovače, optické zesilovače, širokopásmové, úzkopásmové, selektivní zesilovače, zesilovače s řízeným pásmem zesílených frekvencí;
4) na základě typu spojení mezi stupni ve vícestupňových zesilovačích se rozlišují – zesilovače s galvanickou, kapacitní a transformátorovou vazbou. DC vazba je možná pouze v případě galvanické vazby;
5) podle typu zátěže – zesilovače s aktivní, kapacitní a indukční zátěží;
6) rezonanční zesilovače (rezonanční systémy se používají v procesu zesílení);
7) zesilovací metodou – elektronické, magnetické, elektrické strojové, optické nebo kvantové, parametrické zesilovače.
Základní parametry zesilovačů.
Činnost zesilovače je hodnocena následujícími parametry:
Zisk je někdy vyjádřen v logaritmických jednotkách dB.
Vzhledem k tomu, že u automatizačních a komunikačních zařízení jsou limity změny výkonu, napětí a proudu poměrně velké (několik řádů), zavádí se pro zjednodušení výpočtů pojem „hladina“, přičemž se rozlišuje mezi absolutní a relativní úrovní. Absolutní úrovně se určují relativně k hodnotám stejného jména braným jako jednotka, Po,U,I.
V souladu s mezinárodními dohodami (CCITT), přijatými R= 1 mW,UиIjsou určeny pro daný odpor, například pro R= 600 Ohm, I= 1,2910 3 A,U= 0,775 V., zatímco P=IU= 1 mW.
Absolutní úrovně jsou definovány jako logaritmus poměru,
Pokud Zin=Zout, pak se relativní úrovně rovnají rozdílu mezi absolutními.
Pokud Zin≠Zout, pak jsou relativní úrovně určeny s přihlédnutím k nerovnosti těchto odporů.
Nejdůležitějšími parametry zesilovače jsou vstupní a výstupní odpory, jejich hodnoty je třeba vzít v úvahu při přizpůsobení zesilovače, a to jak se zdrojem signálu, tak se zátěží:
kde je napětí a proud na výstupu zesilovače s připojenou zátěží.
Často se lidé zajímají pouze o aktivní složky vstupních a výstupních odporů.
Celkový zisk vícestupňového zesilovače:
kde K1, K.2, … TOnziskové faktory jednotlivých etap.
2. výstupní výkonzesilovač – výkon přidělený zátěži s daným koeficientemnelineární zkreslení zesíleného signálu.
3. Citlivostzesilovač – minimální hodnota vstupního signálu, při které je zajištěn jmenovitý výstupní výkon.
4. Amplitudová charakteristikazesilovač – K závislostU=f(Uin) s f=konst.
Rýže. 4. Amplitudová charakteristika zesilovače
Dynamický rozsah zajišťuje, že zesilovač pracuje v lineární části amplitudové charakteristiky.
6. Чfrekvenční odezvazesilovač – KU=F(f) v Uin= konst.
Rýže. 5. Frekvenční odezva zesilovače
7. Zesílený frekvenční rozsah– frekvenční pásmof=fв-Fн, v rámci kterého zisk nepřekračuje stanovené limity. Typicky je frekvenční rozsah definován na 3 dB nebo 1,41 krát.
8. Faktor zkreslení frekvence:
9. Nelineární zkresleníse projevují tím, že při zesílení spektrálně čistého sinusového signálu není výstupní signál sinusový. Ve výstupním signálu se kromě základní harmonické, která má frekvenci vstupního signálu, objevují vyšší harmonické složky.
Pro ilustraci výskytu nelineárních zkreslení si zapíšeme kvadratickou závislost proudu I bázeбze základny – napětí emitoru Ubýt:
kde A je konstantní koeficient mající rozměr vodivosti.
Když se tedy vstupní charakteristika aproximuje kvadratickou závislostí, objeví se na výstupu složky s dvojnásobnou frekvencí vstupního signálu. V přítomnosti nelineárních zkreslení je užitečným signálem napětí nebo proud první harmonické a všechny ostatní složky jsou důsledkem nelineárních zkreslení.
10. Nelineární úroveň zkresleníje úměrná výkonu vyšších harmonických složek a při zesílení sinusového signálu se odhaduje buď koeficientem nelineárního zkreslení Knebonebo harmonický koeficient Kin
11. Lineární zkreslení (kmitočet) jsou způsobeny frekvenční závislostí zesílení a jalové složky obvodu. Úroveň lineárního zkreslení nezávisí na amplitudě signálu, ale závisí pouze na frekvenci. Obecně:
V praxi se modul a argument zesílení (AFC a PFC) posuzují samostatně.
12. Fázové zkresleníneovlivňují spektrální složení a poměr amplitud harmonických složek komplexního signálu, ale způsobují změnu tvaru signálu v důsledku fázového posunu jednotlivých harmonických složek signálu.
V zesilovači není žádné fázové zkreslení, když fázový posun závisí lineárně na frekvenci.
Frekvenční a fázové zkreslení jsou způsobeny stejnými důvody a objevují se současně. Velká frekvenční zkreslení odpovídají velkým fázovým zkreslením a naopak
Jistě mnozí slyšeli, že moderní zesilovače mohou patřit do různých tříd. Lidé, kteří mají k akustickým systémům a technickým vlastnostem zvukového zařízení daleko, si však pravděpodobně nedovedou představit, co se skrývá za písmennými označeními.
V naší recenzi vám podrobněji řekneme, jaké jsou třídy zesilovačů, jaké jsou a jak vybrat optimální model.
Klasifikace
Třída zesilovače je velikost výstupního signálu, při které je buzen ve funkčním diagramu sinusovým vstupním signálem během jednoho pracovního cyklu a mění se v důsledku tohoto vlivu. Zařazení zesilovačů do tříd závisí na parametrech linearity použitého režimu pro zesílení příchozích signálů z kategorií se zvýšenou přesností při spíše snížené účinnosti až po zcela nelineární. V tomto případě není přesnost zvukové reprodukce signálu tak velká, ale účinnost je poměrně vysoká. Všechny ostatní třídy zesilovačů jsou jakési mezimodely mezi těmito dvěma skupinami.
První skupina
Všechny třídy zesilovačů lze rozdělit do dvou podskupin. První zahrnuje klasické ovladatelné modely tříd A, B, ale i AB a C. Jejich kategorie je dána parametrem jejich vodivosti v určitém úseku výstupního signálu. Provoz vestavěného tranzistoru na výstupu je tedy uprostřed mezi „vypnuto“ a „zapnuto“.
Druhá skupina
Do druhé kategorie přístrojů patří modernější modely, které jsou považovány za tzv. spínací třídy – jedná se o modely D, E, F a také G, S, H a T.
Tyto zesilovače využívají pulsně šířkovou modulaci a digitální obvody k nepřetržitému přepínání signálu mezi „all-off“ a „all-on“. V důsledku toho dochází k silnému výstupu v oblasti nasycení.
Popis populárních tříd
O různých třídách zesilovačů si povíme podrobněji.
Modely třídy A jsou nejrozšířenější díky jednoduchosti jejich designu. To je způsobeno několika parametry zkreslení příchozího signálu, a tedy vysokou kvalitou zvuku ve srovnání se všemi ostatními kategoriemi zesilovacích instalací. Modely patřící do této kategorie se oproti ostatním vyznačují vysokou linearitou.
Obvykle zesilovače třídy A používají při své činnosti jedinou verzi tranzistorů. Je připojen k základní konfiguraci emitoru pro dvě poloviny signálu, takže germaniový tranzistor jím vždy prochází, i když není fázový signál. To znamená, že výstupní kaskáda neprojde zcela do oblasti přerušení signálu a saturace. Má svůj vlastní bod přemístění přibližně ve střední části čáry zatížení. Tato struktura vede k tomu, že se tranzistor jednoduše neaktivuje – to je považováno za jednu z jeho základních nevýhod.
Aby bylo zařízení klasifikováno jako zařízení v této třídě, musí být nulový proud naprázdno ve výstupním stupni roven nebo větší než limit zátěžového proudu, aby byl zajištěn maximální výstupní signál.
Protože zařízení třídy A jsou jednopólová a fungují v lineární oblasti všech specifikovaných křivek, jedno výstupní zařízení prochází celých 360 stupňů, v takovém případě je zařízení kategorie A přesně stejné jako zdroj proudu.
Protože zesilovače této kategorie pracují, jak jsme již řekli, v ultralineární oblasti, musí být stejnosměrný offset správně nastaven – to zajistí správnou funkci a poskytne zvukový tok 24 W. Vzhledem k tomu, že výstupní zařízení je stále vypnuté, neustále vede proud, což vytváří podmínky pro konstantní ztrátu výkonu v celé konstrukci. Tato vlastnost vede k uvolnění velkého množství tepla, přičemž jejich účinnost je poměrně nízká – nepřesahuje 40 %, což je činí nepraktickými, pokud jde o některé výkonné reproduktorové soustavy. Kromě, Vzhledem ke zvýšenému proudu instalace naprázdno musí mít zdroj odpovídající rozměry a být co nejvíce filtrován, jinak se nelze vyhnout zvuku zesilovače a cizímu brumu. Právě tyto nedostatky vedly k tomu, že výrobci byli nuceni dále pracovat na vytváření zesilovačů výkonnější kategorie.
Zesilovače třídy B byly vytvořeny výrobci k vyřešení problémů spojených s nízkou účinností a zvýšenou úrovní přehřívání, které jsou charakteristické pro instalace předchozí kategorie. Modely kategorie B využívají při své činnosti dvojici přídavných tranzistorů, obvykle bipolárních. Jejich rozdíl je v tom, že pro obě poloviny signálu je výstupní hrana postavena pomocí návrhu obvodu push-pull, takže každé tranzistorové zařízení poskytuje zesílení pouze poloviny výstupního signálu.
V této třídě zesilovačů neexistuje žádný základní stejnosměrný zkreslený proud, protože jeho klidový proud je nulový, takže jmenovité hodnoty stejnosměrného výkonu jsou obvykle malé. V souladu s tím je jeho účinnost mnohem vyšší než u zařízení A. Současně když se signál stane kladným, kladný tranzistor předpětí jej pohání a záporný zůstává vypnutý. Podobně v okamžiku, kdy příchozí signál nabývá záporné hodnoty, kladný je vypnut a záporně předpjatý tranzistor je naopak aktivován a zajišťuje vedení záporné poloviny signálu. Výsledkem je, že tranzistor během své činnosti stráví 1/2 cyklu pouze v kladné nebo záporné polovině cyklu příchozího signálu.
V souladu s tím může každé tranzistorové zařízení této kategorie procházet pouze částí výstupního signálu a v jasném pořadí.
Tento push-pull design je přibližně o 45-60% účinnější než zesilovače třídy A. Nicméně Problémy s modely tohoto typu jsou v tom, že při průchodu audio signálu produkují značné zkreslení v důsledku „mrtvé zóny“ tranzistorů v koridoru vstupního napětí s hodnotami od -0,7 V do +0,7 V.
Jak každý ví z hodin fyziky, základní emitor musí produkovat napětí asi 0,7 V, aby mohl bipolární tranzistor začít plně zapojovat. Dokud toto napětí nepřekročí tuto značku, výstupní tranzistor se neposune do zapnuté polohy. To znamená, že polovina signálu, který jde do koridoru 0,7 V, se začne reprodukovat nepřesně. V souladu s tím jsou zařízení kategorie B prakticky nevhodná pro použití v přesných akustických instalacích.
na K překonání těchto zkreslení byla vytvořena takzvaná kompromisní zařízení třídy AB.
Tento model je jakousi tandemovou konstrukcí kategorie A a kategorie B. V dnešní době jsou zesilovače typu AB považovány za jednu z nejběžnějších konstrukčních možností. Principem své činnosti trochu připomínají výrobky kategorie B, s jedinou výjimkou, že obě tranzistorová zařízení mohou současně vést signál v blízkosti průsečíku oscilogramů. Tím jsou zcela odstraněny všechny problémy se zkreslením signálu předchozího zesilovače skupiny B. Rozdíl je v tom, že dvojice tranzistorů má dosti nízké předpětí, zpravidla se pohybuje od 5 do 10 % parametrů klidového proudu. V tomto případě vodivé zařízení zůstane zapnuté déle než doba jednoho půlcyklu, ale zároveň je to mnohem méně než celý cyklus vstupního signálu.
To můžeme říci s naprostou jistotou Zařízení typu AB je považováno za vynikající kompromis mezi modely třídy A a třídy B z hlediska účinnosti a linearitya zatímco účinnost transformace audio signálu je přibližně 50 %.
Konstrukce instalací patřících do třídy C má maximální účinnost, ale zároveň dosti špatnou linearitu ve srovnání se všemi ostatními kategoriemi. Zesilovač třídy C je značně znatelně vychýlen, takže vstupní proud klesne na nulu a zůstane tam více než 1/2 cyklu příchozího signálu. V tuto chvíli je tranzistor v pohotovostním režimu, aby se vypnul.
Tato forma tranzistorového předpětí poskytuje největší účinnost zařízení, jeho účinnost je asi 80%, ale zároveň vnáší do odchozího signálu poměrně značné zkreslení zvuku.
Takové konstrukční vlastnosti znemožňují použití zesilovačů v akustických systémech. Tyto modely našly své pole použití zpravidla ve vysokofrekvenčních generátorech a také v určitých verzích vysokofrekvenčních zesilovačů, kde se proudové impulsy emitované na výstupu převádějí na sinusové vlny dané frekvence.
Zesilovač kategorie D patří k dvoukanálovým nelineárním pulzním modelům, nazývají se také PWM zesilovače.
V naprosté většině audiosystémů pracují koncové stupně ve třídách A nebo AB. U integrovaných zesilovačů skupiny D je ztrátový výkon lineárních vstupů významný i v případě jejich nejúplnější, téměř ideální realizace. To dává modelům třídy D značnou výhodu ve většině aplikací díky minimálnímu vývinu tepla, snížené hmotnosti a rozměrům zařízení a v důsledku toho i sníženým nákladům na výrobky, přičemž životnost baterie u těchto modelů je zvýšena ve srovnání s modely jiných konstrukcí.
Zpravidla se jedná o vysokonapěťové modely, jsou určeny pro desku 10000 XNUMX wattů.
Ostatní
Zesilovač třídy F. Tyto modely poskytují zvýšenou účinnost, jejich účinnost je asi 90%.
Zesilovač třídy G. Tento zesilovač je v podstatě pokročilou, vysoce lineární konstrukcí základního TDA zařízení třídy AB. Modely patřící do této kategorie mohou automaticky přepínat mezi různými silovými vedeními, pokud se změní parametry příchozího signálu. Takovéto přepínání výrazně snižuje spotřebu energie a v důsledku toho snižuje spotřebu energie způsobenou tepelnými ztrátami.
Zesilovač I. třídy. Takové modely mají několik sad přídavných výstupních zařízení. Před zapnutím jsou uspořádány v konfiguraci push-pull. První zařízení spíná kladnou část signálu a druhé je zodpovědné za spínání záporné části, podobně jako zesilovače kategorie B. Pokud na vstupu není audio signál nebo pokud signál dosáhne bodu nulového přechodu, přepínání mechanismus se zapíná a vypíná současně s hlavním cyklem.
Zesilovač třídy S. Tato třída zesilovačů je klasifikována jako nelineární spínací mechanismus. Mechanismem jejich činnosti jsou poněkud podobné zesilovačům kategorie D. Takový zesilovač převádí analogové příchozí signály na digitální a mnohonásobně je zesiluje. Pro zvýšení výstupního výkonu je tedy typicky digitální signál spínacího zařízení buď zcela zapnutý, nebo zcela vypnutý, takže účinnost takových zařízení může být 100 %.
Zesilovač třídy T. Další možnost pro digitální zesilovač. Dnes si takové modely získávají stále větší oblibu díky přítomnosti čipů, které umožňují digitální zpracování příchozího signálu, a také díky vestavěným vícekanálovým 3D zesilovačům zvuku. Tento efekt je zajištěn konstrukcí, která umožňuje převádět analogové signály na zvuky digitálního typu se zvýšenou PWM. Konstrukce zařízení třídy C kombinuje charakteristiky signálu kategorie AB s nízkým zkreslením při zachování účinnosti modelů třídy D.
Jak zjistit?
Nejprve se podívejme, jak zesilovač v principu funguje. Asi se budete divit, ale ve skutečnosti tovární zesilovač nic nezesiluje. Ve skutečnosti, Mechanismus jeho provozu připomíná provoz nejjednoduššího jeřábu: otočíte rukojetí a voda z přívodu vody začne téct, silnější nebo slabší, a pokud s ní otočíte, průtok se zablokuje. V zesilovačích probíhají všechny procesy stejným způsobem. Z výkonného napájecího modulu proudí proud přes reproduktor připojený k zařízení. Funkci odbočky v tomto případě přebírají tranzistory – na výstupu je míra jejich sepnutí a otevření řízena signálem, který prochází do zesilovače. Třída zesilovačů je dána tím, jak přesně tento faucet funguje, tedy jak fungují výstupní tranzistory.
Pokud mluvíme o zařízeních AB, pak tranzistory v nich mohou mít nepříjemnou vlastnost, že se otevírají a zavírají neúměrně k jimi přijímaným signálům. Jejich práce se tak nemění. Vrátíme-li se k analogii s kohoutkem, můžete otočit rukojetí kohoutku, ale voda poteče nejprve slabě a pak se najednou průtok náhle zvýší.
Z tohoto důvodu tranzistory kategorie AB musí být mírně otevřené, i když není žádný signál. To je nezbytné, aby začaly pracovat okamžitě a nečekaly, až signál dosáhne určité úrovně – pouze v tomto případě bude zesilovač schopen reprodukovat zvuk s minimálním zkreslením. V praxi to znamená, že část užitečné energie je promarněna. Jen si představte, že otevřete všechny vodovodní kohoutky v bytě a bude z nich nepřetržitě vytékat malý proud vody. Díky tomu účinnost takových modelů nepřesahuje 50-70%, právě nízká účinnost je hlavní nevýhodou zesilovačů třídy AB.
Pokud mluvíme o zařízeních třídy D, jejich princip fungování je naprosto stejný: mají své vlastní výstupní tranzistory, které lze zapínat a vypínat. Tím se reguluje průchod proudu k nim připojeným reproduktorům, ale jejich otevírání je řízeno signálem, jehož konfigurace je velmi vzdálená tomu příchozímu.
Takto je signál dodáván do výstupních tranzistorů zařízení třídy D. V tomto případě budou fungovat úplně jinak: buď se úplně zavřou, nebo se otevřou bez jakýchkoli mezihodnot. To znamená, že účinnost takových modelů se může blížit 100 %.
Na přenos takových signálů do audiosystémů je samozřejmě příliš brzy, nejprve by se měl vrátit do standardní konfigurace. To lze provést pomocí výstupní tlumivky, stejně jako kondenzátoru – po jejich zpracování se na výstupu vytvoří zesílený signál, který ve své podobě zcela opakuje příchozí. Právě to se přenáší do reproduktorů.
Hlavní výhodou zařízení třídy D je zvýšená účinnost a tím i šetrnější spotřebu energie
Dlouho se to všeobecně přijímalo pro připojení kvalitních akustických instalací budou optimálním řešením AV zesilovače. Modely kategorie D převáděly příchozí signál na pulzní signál se sníženou frekvencí, ve výsledku dával dobrý zvuk pouze v režimu subwooferu. V dnešní době udělala technologie velký krok vpřed a dnes existují vysokorychlostní tranzistory, které se dokážou otevřít a zavřít téměř okamžitě, širokopásmových zařízení třídy D je v obchodech poměrně hodně.
Tyto modely jsou určeny pro použití nejen se subwoofery, ale také s moderními reproduktorovými systémy jakéhokoli typu. Pro ty možnosti, kde není vyžadován vysoký výkon, má smysl koupit poměrně kompaktní zesilovač.
Pokud tedy máte dostatek prostoru pro připojení reproduktorů, můžete si snadno vybrat model třídy AB. Za několik desetiletí existence byly obvody těchto modelů dobře vyvinuty, poskytují poměrně dobrou kvalitu zvuku a pokud se porouchají, můžete je snadno opravit v nejbližším servisním středisku.
Pokud je prostor pro instalaci zvuku omezený, měli byste se blíže podívat na širokopásmové modely skupiny D. Při stejných výkonových parametrech jako produkty třídy AB jsou mnohem menší a lehčí a méně se zahřívají a některé modely umožňují i jejich diskrétní instalaci s nejmenšími zásahy.
Pro připojení subwooferů mají instalace třídy D maximální výhodu, protože blok basových tónů představuje energeticky nejnáročnější frekvenční rozsah – v tomto případě má zásadní význam účinnost produktu a v tomto prostě neexistují žádné konkurenty produktů třídy D.
V tomto videu se můžete jasněji seznámit s třídami zesilovačů zvuku.
