Усилители класса а и d в чем разница
Сравнение двух компактных усилителей AB-класса и D-класса.
Есть стереотип, что D-класс звучит хуже, чем AB. Какое-то время назад оно так и было, но сейчас все уже не так однозначно. Чтобы подтвердить или опровергнуть мифы об импульсных усилителях, было решено взять две модели и сравнить их.
Чтобы сравнение получилось корректным и актуальным, ставились два условия. Во-первых, компактность. Когда места для установки немного, D-класс оказывается удобнее, и вопрос «а он точно нормально звучит?» становится особенно мучительным.
Во-вторых, бюджетность. Считаю, что недорогая техника в этом деле наиболее показательна. В бюджетных моделях применяются дешевые комплектующие (кто бы мог подумать?), а это значит, что все схемы усилителей разрабатываются с учетом большого разброса параметров. Поэтому бюджетные модели – это почти всегда типовые решения, которые в том или ином виде присутствуют у всех производителей. В конце концов, бюджетных усилителей продается больше, значит этот тест более жизненный.
Для пущей наглядности в сравнение взял усилители одной марки. Типа чтобы единая идеология и все такое. Art Sound iX4 (усилитель D-класса) и Art Sound XE754 (усилитель традиционного AB-класса). Первый дороже раза в полтора, но в целом это все равно один из самых доступных представителей своего класса. Последний не настолько компактен, как первый, но при размерах, не превышающих листка формата А4, под поставленные условия тоже вполне попадает.
Как выяснилось чуть позже, у обеих моделей примерно сопоставимая габаритная мощность трансформаторов в блоках питания, что ставит усилители в еще более близкие условия.
Раз уж на то пошло, решил посмотреть все по-полной, начиная прямо с фильтров. На выбор AB или D не влияет, но не пропадать же такой возможности. Здесь графики не привожу, количество фоток выбивается из лимита, но все это есть на моем сайте carmus.ru.
А вот спектры искажений — это нам сейчас важнее. О том, что это такое и что по ним можно увидеть, я тоже уже рассказывал. Сначала сами графики, потом выводы. Смотрим, как ведет себя D-класс:
В области нижних и средних частот, куда как раз попадает большинство основных тонов музыкальных инструментов, гармонические искажения умеренные. А вот с повышением частоты паразитных гармоник больше. Окраска звучания с большой вероятностью сведется к жесткости. Так ли это, посмотрим позже на прослушивании.
Теперь смотрим, как ведет себя AB-класс:
Чтобы хоть как-то увидеть паразитные гармоники, пришлось неслабо задрать усиление. Как видите, в плане гармонических искажений усилитель выглядит более чем достойно. Правда, судить о качестве усилителя только лишь по ним одним было бы ошибкой. Что там с динамическими искажениями, в том числе со «скорострельностью», покажет только прослушивание.
А пока что вернемся к измерениям и посмотрим, при каких мощностях начинается ограничение выходного сигнала:
Номинальная мощность при стандартном пороге КГИ=1% составляет:
Art Sound iX4 (D-класс):
82 Вт на нагрузке 4 Ом
138 Вт на нагрузке 2 Ом
Art Sound XE754 (AB-класс):
44 Вт на нагрузке 4 Ом
86 Вт на нагрузке 2 Ом
И это, заметьте, при том, что блоки питания у обоих усилителей имеют близкие мощностные возможности! За счет более высокого КПД D-класс выигрывает по мощности чуть ли не в два раза даже при гораздо меньших внешних размерах!
Первое впечатление – звучание ясное, без замыленности, для бюджетного усилителя очень приличная динамика. Звучание на верхних частотах сквозит легкой синтетичностью, это хорошо заметно на сложных записях, требующих от тракта высокого разрешения. Немного выделяются свистяще-шипящие звуки, это особенно заметно на голосе.
Немного скрадываются послезвучия, но не настолько, чтобы это сделало сцену полоской, усилитель рисует ее в глубину уверенно. Вообще, для своей цены усилитель звучит очень даже подробно.
А вот что понравилось, так это как прозвучали треки с хорошо прописанным контрабасом или упругой бас-бочкой. Усилитель отлично контролирует динамики, бас ни разу не гудит, он упругий и разборчивый. Струны того же контрабаса, бас-гитары или бас-бочки бьют в грудь как плотный резиновый мячик. Даже на критичной к этому делу Metallica, треки Sabbra Cadabra или Astronomy, сильно компрессированный бас не слился в гудящую кашу. Учитывая цену усилителя, получилось просто отлично.
Сильно вниз усилителю забираться тяжеловато, самый глубокий бас немного смазывается, но, в конце концов, имейте совесть, на то в аудиосистеме есть сабвуферное звено. Одним словом, не зря ФВЧ сделан неотключаемым. Больше того, я бы советовал поднять его настройку чуть выше. Это повысит чистоту и ясность звучания в целом, мидбасы будут играть еще упруже и вкуснее.
В целом звучание можно охарактеризовать как педантичное и сухое. Не жесткое, а именно сухое. И с очень интересным упругим и разборчивым мидбасом. В своей ценовой категории усилитель выглядит очень даже уверенно. А вы говорите, D-класс.
Для сабвуфера, даже легкого, Art Sound iX4 использовать не стоит, не его это. Но можно поступить иначе. Возьмите на тыл какие-нибудь серьезные овалы 6х9 или 7х10 и включите в тыловых каналах ФНЧ. При минимальных затратах получите фронтальную звуковую сцену и упругий бас – это будет намного круче, чем выкидывать деньги на дешевый гудящий саб.
Art Sound XE754 (AB-класс)
При всем уважении к классике, АВ-класс в младшей ценовой категории звучит все же проще. Первое, что сразу обращает на себя внимание – это динамика. Причем, и микродинамика – по сравнению с iX4 этому усилителю не хватает скорострельности, и макродинамика – динамический диапазон заметно поджат, опять же, по сравнению с более драйвовым iX4. На слух это воспринимается как легкая «занавеска» перед акустикой.
Но при всем этом, нужно признать, звучание у Art Sound XE754 более живое, теплое и мягкое, без акцентов на каких-то деталях и украшательств. Через какое-то время привыкаешь к этой легкой вате перед динамиками и просто начинаешь слушать музыку. Свистяще-шипящие звуки в голосах естественнее. Тарелочки хоть и отстранились куда-то вглубь, но воспринимаются натуральнее и живее. Да и вообще музыка звучит цельно и как-то комфортно что ли.
На громкий рвущий рок или ядреный метал я бы не стал рекомендовать XE754, там нужны острый драйв и динамика. А вот на более деликатные жанры, легкий джаз, неспешный блюз или инструментал, он окажется прямо в тему. И черт с ним, с замыливанием деталей, усилитель дает совсем иное восприятие музыки.
Кстати, в классическую схему фронт+саб я бы тоже не стал рекомендовать этот усилитель. Там нужен все же более серьезный мощностной потенциал.
Итак, я бы не стал так однозначно говорить, что хуже, а что лучше. Это дело вкуса. Здесь я постарался лишь выявить лишь самые характерные черты на живом примере двух относительно недорогих усилителей. АВ-класс (в лице Art Sound XE754) прозвучал мягко и комфортно, но не особо вдаваясь в подробности, D-класс (в лице Art Sound iX4) прозвучал более динамично, и драйвово, точнее отрабатывая атаку и нюансы звучания, но при этом сухо и приукрашивая ВЧ-диапазон. Несомненно, каждый звук имеет своих почитателей, спорить тут просто не о чем.
Еще раз подчеркну, в более высокой ценовой категории все может сложиться все иначе, но в младшей, по моим наблюдениям, эти два усилителя хорошо показывают общую тенденцию.
Art Sound iX4 (D-класс):
Плюсы:
Драйв, отличная динамика
Высокое для своей ценовой категории разрешение
Отличный контроль на мидбасе
Соотношение компактности и выходной мощности
Минусы:
Звук может показаться слишком сухим
ВЧ диапазон несколько «приукрашен»
Art Sound XE754 (AB-класс):
Плюсы:
Живая и теплая звуковая подача
Отсутствие в звуке жесткости и лишних «украшательств»
Минусы:
Разрешение уступает iX4
Иногда хочется более динамичного звучания
Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса
Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?
Все наверняка слышали о том, что усилители могут работать в классах А, АВ или, скажем, в классе D. Но, как показывает практика, далеко не все знают о том, что кроется под этими обозначениями. Сейчас мы вам расскажем, что это такое, и постараемся сделать выводы – какой усилитель и в каких случаях подойдёт вашей аудиосистеме лучше всего.
Как работают усилители?
Для начала нужно понимать, как вообще работает любой усилитель. Возможно, вы удивитесь, но на самом деле он… ничего не усиливает. Принцип его работы больше похож на работу обычного водопроводного крана – вы крутите ручку, и вода льётся то сильнее, то слабее, то не льётся совсем.
В усилителях всё происходит точно так же – ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Роль «крана» выполняют выходные транзисторы, а управляет их открытием и закрытием сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства. И вот то, каким образом работает этот «кран» (выходные транзисторы), как раз и определяет класс усилителя.
Как работают усилители АВ-класса?
Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.
Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.
По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.
На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую. Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.
Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).
В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.
Как работают усилители D-класса
Основной принцип работы D-класса абсолютно тот же, что и у АВ-класса – у таких усилителей тоже есть выходные транзисторы, которые умеют открываться или закрываться, регулируя ток через подключенные к ним динамики. Только управляет их открытием сигнал, который своей формой очень далёк от входного.
Сигнал, который пришёл на усилитель от головного устройства, непрерывен, но его амплитуда постоянно меняется. На входе усилителя D-класса он преобразуется в импульсный – амплитуда постоянная, но зато сигнал прерывается. Длительности импульсов и пауз между ними меняются пропорционально входному сигналу. Например, выше амплитуда входного сигнала – импульсы длиннее, ниже амплитуда – импульсы короче.
Именно такой сигнал и подаётся на выходные транзисторы. И очевидно, что в этом случае они будут работать совершенно по-другому – либо полностью открываться, либо полностью закрываться, без промежуточных вариантов. Это означает, что потери на ненужный нагрев будут минимальными, а значит, КПД усилителя D-класса может вплотную приближаться к идеалу в 100%.
Разумеется, подавать такой прерывающийся сигнал сразу же на акустические системы ещё рано, перед этим его нужно «вернуть» в обычную форму. Это делается с помощью специальных элементов – выходного дросселя (катушки индуктивности) и конденсатора. После них на выходе и получается усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной. Вот он и идёт на динамики.
Главное достоинство усилителей D-класса – высокий КПД, а значит, и более экономное расходование энергии блока питания. При прочих равных усилители D-класса мощнее и компактнее, чем традиционные усилители.
Какой усилитель лучше – D-класса или АВ-класса?
Долгое время считалось, что для подключения акустических систем нужно выбирать усилители АВ-класса, потому что им не нужны большие мощности, и у них меньше искажений. Это было связано с тем, что в усилителях D-класса входной сигнал обычно преобразовывался в импульсный с невысокой частотой, и в итоге они хорошо работали лишь в сабвуферном диапазоне.
Сегодня технологии шагнули далеко вперёд, появились мощные быстродействующие транзисторы, которые умеют переключаться (открываться и закрываться) практически мгновенно. На рынке появилось немало широкополосных усилителей D-класса. Широкополосные – это такие усилители D-класса, которые рассчитаны на использование не только с сабвуферами, но и с акустическими системами. Для тех случаев, когда большая мощность не нужна, такие усилители можно сделать чрезвычайно компактными.
Как выбрать усилитель?
Если позволяет место, для подключения акустических систем вы можете смело выбрать усилитель АВ-класса. Схемотехника таких усилителей за долгие годы хорошо отработана, они имеют высокое качество звучания и, в случае неисправности, их можно легко отремонтировать в ближайшей мастерской.
Когда место для инсталляции усилителя сильно ограничено, обратите внимание на широкополосные модели D-класса. При той же мощности, что и у моделей АВ-класса они намного компактнее, в большинстве своём меньше греются, и их можно установить даже скрытно, с минимальными вмешательствами в штатные элементы автомобиля.
Для подключения сабвуферов больше преимуществ имеют усилители D-класса. Бас – это самый «энергозатратный» частотный диапазон, а потому КПД усилителя может иметь решающее значение. А этом у D-класса конкурентов нет.
Классы усиления — A, AB, D… Что дальше?
Вы сильно удивитесь, но первый электронный усилитель появился на свет еще в 1906 году, когда Ли де Форест изобрел так называемый аудион, а проще говоря — электровакуумный триод. Тогдашние усилители на триодах были, во-первых, однотактными, то есть в них один элемент усиливал весь сигнал, а не одну из его полуволн, а во-вторых работали они в классе А, то бишь усилительный элемент никогда не закрывался и его ток покоя всегда превышал отдаваемый в нагрузку. Главным недостатком этого режима работы является крайне низкий КПД, на практике — порядка 20%, вся остальная энергия фактически уходит в нагрев аппарата.
За триодами последовали тетроды и пентоды, получили дальнейшее развитие и режимы усиления. Ближайший родственник класса А — класс B, это двухтактный усилитель, где одна половина элементов усиливает положительную полуволну сигнала, а другая половина — отрицательную, при этом получается, что половину времени каждое из плечей не работает. Налицо экономия энергии и улучшение мощностных характеристик, типовой КПД такого усилителя составляет 60-70%, а выходная мощность ограничивается только числом элементов в выходных каскадах. Однако этому классу свойственен так называемый эффект отсечки, когда сигнал проходит через нулевую точку и одно из плечей заканчивает свою работу, а другое начинает. Когда в 60-х гг. прошлого века стали появляться первые транзисторные усилители, разработчики, желая обеспечить большую разницу в ТТХ относительно ламповых схем, «загоняли» их практически в чистый класс В, где этот эффект хорошо слышен, особенно на малых уровнях. Чтобы избежать его, необходимо задавать не нулевой ток покоя, а хотя бы на уровне нескольких процентов от максимального. Такой вариант получил название АВ, как совмещающий в себе свойства обоих первичных классов.
Класс D, зачастую ошибочно называемый цифровым, был разработан еще 50-х гг., с использованием ламповой схемотехники, но активное развитие получил лишь в конце 80-х гг. с появлением мощных полевых транзисторов. В основе работы этого класса лежит широтно-импульсная модуляция, а основное его достоинство — крайне высокий КПД, доходящий до 90-95%.
Подведём промежуточный итог. Чистый класс А — удел исключительно матерых аудиофилов (ну если речь не идет про усилитель для наушников или пред, на тех уровнях сигнала это вполне допустимо). Класс В (а фактически АВ, ибо минимальный ток покоя никто не выставляет) — пока еще большая часть звукоусилительной техники. Однако, постепенно, происходит замена АВ на D, как в профессиональной (студийной и концертной), так и в домашней технике, в основном под давлением экологов, хотя вопрос экономии места (а усилители класса D традиционно компактны) тоже стоит достаточно остро.
Что же получается, велосипед уже окончательно изобретен? Да, но нет. Что показывает нам эволюция классов усиления? То, что идет она по пути экономии энергопотребления за счет компромиссов в качестве звучания. А если попытаться сэкономить и не потерять? Напряжение питания оконечных каскадов определяет в том числе и максимальную выходную мощность, которая бывает востребована достаточно редко. Можно запитать каскады не одной, а двумя шинами, при этом первая будет обеспечивать работу на низких уровнях сигнала, а вторая «разгонять» каскады до полной паспортной мощности. Именно так реализованы усилители английской компании Arcam, причем при работе от первой шины аппарат функционирует в чистом классе А. Данный режим работы получил индекс G и обладая всеми преимуществами классического АВ, может похвастаться существенно меньшим энергопотреблением. Фактически, в данном случае можно говорить об адаптивном классе АВ.
Разработчики другой английской компании, Cambridge Audio, пошли еще дальше и в аккурат на 110-ую годовщину триода представили класс XD. К широтно-импульсной модуляции класса D он не имеет никакого отношения, аббревиатура расшифровывается как crossover displacement – управляемое смещение. Их идея заключается в том, что при малом уровне сигнала усилитель работает в классе А, а с ростом выходной мощности переходит в класс В, при этом на нулевом уровне точка смещения находится гораздо меньшее время. КПД такого усилителя лишь немногим меньше традиционного, в классе АВ, а вот уровень искажений существенно ниже.
Классы усилителей. Устройство и принципы работы
Содержание
Содержание
Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.
Усилители класса А
Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.
Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.
Усилители класса B
Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.
Усилители класса AB
Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.
Усилители класса С, H, G
Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.
В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.
Усилители класса D
В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.
Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.
На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.
Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.
Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.
Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.
Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.
В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.
Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.
В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:
В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).
Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.
Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.
Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.
Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.
А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:
Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.
Заключение
Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.
Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.