Что значит цифровой усилитель звука
И какой стоит предпочесть
И какой стоит предпочесть
Строго говоря, вопрос, вынесенный в заголовок, более строго будет звучать так – в чём разница между усилителями, работающими в классе A, либо A/B, и в классе D? Ибо не все транзисторные усилители относятся к первому типу, а называть усилители класса D «цифровыми» можно лишь с оговорками. Итак, в чём плюсы и минусы этих подходов – попробуем разобраться.
Нестареющая классика
Сначала немного истории. В далеком 1916 году американская компания General Electric впервые запатентовала принцип усиления электрического сигнала. В качестве усилительного элемента использовался вакуумный триод, состоящий из размещенных в вакууме катода, анода и управляющей сетки между ними. При подаче напряжения на катод и анод, между ними возникает поток электронов. Расположенная между этими электродами управляющая сетка может регулировать этот поток в зависимости от приложенного к ней потенциала – чем он выше, тем меньше электронов попадает от катода к аноду. Момент, когда поток электронов совсем прекращается, называют закрытием триода. Если к катоду и аноду подключить динамик или акустическую систему, то подав на управляющую сетку сигнал от источника, получаем простейший усилительный каскад, работающий в классе A.
Но сигналы, с которыми работают усилители звука, по сути – переменные, то есть, имеют положительную и отрицательную полуволны. При прохождении положительной полуволны триод будет корректно повторять с увеличенной амплитудой её форму на выходе, но когда положительную сменит отрицательная полуволна – лампа окажется в закрытом состоянии. Чтобы этого избежать «нулевой» уровень входного сигнала смещают в середину рабочего диапазона лампы. Таким образом, при работе с положительной полуволной сигнала триод открывается сильнее, а при обработке отрицательной – лампа будет закрываться от среднего уровня, но полностью не закроется.
Усилительный каскад класса A отлично себя ведет на небольших уровнях громкости, когда рабочий диапазон триода с запасом покрывает амплитуду выходного сигнала. Но по мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона лампы или транзистора, начинают расти искажения. Причем, растут они по экспоненте по мере приближения к полностью открытому или полностью закрытому состоянию усилительного элемента.
Кроме того, такие каскады отличаются невысоким КПД, который в большинстве реализаций не превышает 20 – 25%. Причиной столь низкого КПД стало потребление триодом энергии при отсутствии полезного сигнала. Напомним, в этом случае триод находится в полуоткрытом состоянии, в результате чего большая часть энергии (до 70 процентов) преобразуется в тепло.
Чтобы этого избежать инженеры предложили отказаться от смещения, а разные полуволны сигнала обрабатывать отдельными усилительными элементами, включенными «зеркально». Так появился усилитель класса B. Отсутствие смещения существенно повысило энергоэффективность усилителя. Кроме того, теперь для обработки каждой полуволны можно использовать весь рабочий диапазон усилительного элемента, а не его половину, что позволяет при применении одинаковых комплектующих поднять выходную мощность усилителя. Однако, здесь возникает проблема переходных процессов из открытого состояния триодов в закрытое, которые требуют времени. В результате возникающие искажения сигнала сделали невозможным использование усилителей, работающих в чистом классе B, для аудио.
Тогда было предложено компромиссное решение, объединившее подходы классов A и B, предсказуемо названное классом A/B. Чтобы избавиться от проблем переходных процессов, характерных для класса B, оба триода в плечах работают со смещением, что предотвращает их полное закрытие и устраняет связанные с этим временные задержки. Но величина этого смещения для класса A/B существенно меньше, чем в классе A. Кроме того, введение смещения позволило на небольших уровнях громкости усилителю по-прежнему работать в чистом классе A, переходя в A/B лишь по мере роста выходной мощности. В результате каскады, работающие в классе A/B, хоть и уступают по величине КПД усилителю класса B, но существенно опережают по этому показателю усилители класса A, достигая в грамотных реализациях КПД 70 процентов. А использование двух усилительных элементов в «зеркале» позволяет существенно повысить выходную мощность.
Свежий взгляд
Так называемые «цифровые» усилители, работающие в классе D, вывели энергоэффективность на недосягаемый для классов A и A/B уровень, позволив отказаться от громоздких систем охлаждения транзисторов выходных каскадов и массивных блоков питания. Такие усилители, как правило, компактны и легки, что вызывает определенный скепсис у консервативных аудиофилов. Здесь для усиления применяется совершенно иной принцип, использующий широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Входной сигнал модулирует несущую частоту, выбранную в сверхвысокочастотной области (сотни мегагерц). Для этого используется СВЧ-генератор импульсов несущей частоты и компаратор. На выходе получается последовательность импульсов равной амплитуды, но различной продолжительности, следующих с несущей частотой. Эти импульсы усиливаются транзисторами, работающими с очень высокой скоростью в ключевом режиме (то есть, находясь лишь в двух состояниях – закрытом или открытом). Далее осуществляется демодуляция усиленного сигнала с помощью обычного LC-фильтра, параллельно отсекающего несущую частоту и высокочастотные шумы.
Ключевой режим работы транзисторов является главной особенностью и преимуществом усиления в классе D. Кстати, именно эта особенность приклеила к таким усилителям ярлык «цифровые» – ключевой режим по сути – двоичный. Использование ключевого режима работы транзисторов теоретически позволяет получить КПД усилителя близкий к 100%. На практике грамотные реализации усиления в классе D показывают КПД, превышающий 90 процентов. Как следствие, для таких усилителей не нужны массивные радиаторы охлаждения выходных каскадов, а мощность блока питания при сравнимой выходной мощности требуется значительно более скромная. Кроме того, усилители класса D характеризуются очень высоким значением коэффициента демпфирования, что позволяет им уверенно справляться с самой «тяжелой» нагрузкой.
Но повсеместное применение таких усилителей в аудиосистемах, особенно топ-уровня, сдерживает целая группа факторов. Во-первых, соседство СВЧ-генератора, являющегося мощным источником электромагнитных помех, с низкочастотными аудиоцепями не сулит ничего хорошего для звука, что заставляет разработчиков искать методы борьбы с последствиями такого соседства. Кроме того, следствием высокого КПД усилителя стало более сильная, чем у аппаратов, работающих в классе A и A/B, зависимость качества звучания от совершенства блока питания – то есть, от способности этого блока обеспечивать усилитель чистым питанием, лишенным высокочастотных шумов. И здесь перед инженерами открывается широкое поле для творчества – от использования классических линейных блоков питания до разработки малошумящих импульсных, пригодных для работы в аудиокомпонентах без ущерба качеству звучания.
В последние годы появление более совершенной элементной базы дало толчок практически революционному развитию усилителей класса D, которые заявили о себе в областях, совсем недавно для них недоступных – к примеру, в технике High End. Ломая сложившиеся стереотипы, которые в этом сегменте крайне сильны, они доказывают на практике свое право на жизнь, принося радость самым требовательным к качеству звучания любителям музыки.
Цифровые усилители против аналоговых. Что лучше?
В чём же принципиальная разница между цифровыми и аналоговыми усилителями? Аналоговый усилитель получает от источника сигнал в аналоговой форме, в виде переменного тока и напряжения, изменяющегося со звуковой частотой, усиливает его и передаёт на акустические системы. Цифровой усилитель работает только с цифровыми сигналами, он получает от источника сигнал в цифровой форме (в виде ноликов и единичек, а точнее в виде импульсов сигнал есть/нет), усиливает его и только после этого, перед непосредственной передачей на акустические системы, преобразует его в аналоговыю форму.
К сожалению, цифровые усилители до сих пор не получили широкого признания в среде аудиофилов, но, зачастую, незаслуженно. Подавляющее большинство аудиофилов, предпочитающих High-End стереосистемы, заранее отвергают цифровые усилители и даже не желают их прослушивать, основывая своё мнение, зачастую ошибочное, на критических журнальных статьях и мнениях «специалистов», большинство из которых даже отдалённо не представляют о чём говорят. Да, пожалуй, цифровые усилители нельзя назвать полностью идеальными, но ведь аналоговые аппараты тоже обладают своими недостатками.
Пожалуй единственным случаем, когда я полностью отверг бы идею использования цифрового усилителя в стереосистеме является случай, когда в качестве одного из источников используется проигрыватель виниловых пластинок (он же виниловый проигрыватель или LP-проигрыватель).
Ни для кого не секрет, что виниловый проигрыватель является стопроцентным аналоговым источником сигнала, также секретом не является то, что любая оцифровка сигнала приводит к некоторой потере звуковой информации, а именно: звук немного теряет свою «аналоговость» и величина этой потери напрямую зависит от качества аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей (digital-analog converter, он же DAC).
Справедливо замечу, что аналоговый звук является эталоном для записи (лучше аналоговой записи может быть только живое выступление музыкантов) и насколько бы не был совершенен цифро-аналоговый преобразователь, он неизбежно немного ухудшит звук (это может быть ничтожно малое ухудшение, которое многие возможно даже не заметят, но оно всё таки будет). А, как уже упоминалось ранее, цифровые усилители работают только с цифровыми сигналами, следовательно, если к нему подключить аналоговый LP-проигрыватель виниловых пластинок, то усилитель будет вынужден преобразовать его аналоговый сигнал в цифровой, с которым он в дальнейшем будет работать, а после усиления сигнал будет вновь преобразован в аналоговый и передан на акустические системы. Это двойное преобразование аналог-цифра-аналог не испортит звук, но сделает его похожим на звук с компакт диска, следовательно, Вы потеряете ту «аналоговость», ради которой скупали пластинки и потратили средства на приобретение качественного проигрывателя винила.
Что же касается воспроизведения CD, здесь оба усилителя конкурируют на равных и сейчас мы разберёмся почему. CD-диск, как таковой, несёт на себе запись в цифровой форме, значит заведомо не является аналоговым, значит та самая «аналоговость» звука уже потеряна на этапе оцифровки Вашей любимой музыки и записи её на диск. CD-проигрыватель считывает звуковую информацию в цифровой форме с диска, а встроенный или внешний цифро-аналоговый преобразователь преобразует её в аналоговую форму, при этом качество воспроизведения CD-диска напрямую зависит от качества считывания информации с поверхности компакт диска и точности преобразования её в аналоговую форму. Системы считывания в настоящее время уже почти достигли своей высшей точки развития, а цифро-аналоговые преобразователи продолжают развиваться.
Таким образом, если в CD-проигрывателе установлен некачественный цифро-аналоговый преобразователь, то некачественно преобразованный в аналоговую форму сигнал поступает с проигрывателя на аналоговый усилитель. Стоит отметить, что даже если аналоговый усилитель в данном случае будет самый лучший в мире, то он всё равно не сможет улучшить качество звука, он сможет лишь не ухудшить его, ведь идеальный усилитель должен только усиливать сигнал и не вносить в него даже малейших изменений. Таким образом, плохой цифро-аналоговый преобразователь, установленный в CD-проигрывателе станет причиной общего ухудшения качества звука, независимо от того, что мы выбрали лучший образец усилителя (аналоговый усилитель, в данном случае, не панацея, как видите).
Давайте теперь представим принцип действия стереосистемы на основе связки «CD-проигрыватель + цифровой усилитель».
Для того, чтобы нам ощутить все преимущества использования цифрового усилителя нам потребуется CD-проигрыватель с цифровыми выходами на задней панели (это разъёмы с которых можно получить сигнал в цифровой форме до того как встроенный цифро-аналоговый преобразователь преобразует его в аналоговую форму) или CD-проигрывателю предпочесть CD-транспорт, в котором цифро-аналоговый преобразователь в принципе отсутствует (зачем платить за цифро-аналоговый преобразователь встроенный в проигрыватель, если мы его не собираемся использовать при подключении к цифровому усилителю). После того как усилитель усиливает сигнал в цифровой форме при помощи встроенного цифро-аналогового преобразователя, он преобразует усиленный цифровой сигнал в аналоговую форму и передаёт его акустические системы.
Получается, что мы как бы отказываемся от «услуг» родного встроенного в CD-проигрыватель цифро-аналогового преобразователя в пользу цифро-аналогового преобразователя, установленного в цифровой усилитель (это позволит существенно повысить качество воспроизведения в случае если цифро-аналоговый преобразователь стоящий в цифровом усилителе лучше по качеству чем тот, что стоит в CD-проигрывателе или наоборот ухудшить, если ситуация обратная).
Справедливости ради замечу, что CD-проигрыватель к цифровому усилителю можно подключить и через аналоговые входы-выходы, но тогда теряется смысл использования цифрового усилителя, а многократное преобразование аналога в цифру и обратно не очень благотворно повлияет на звук. Прямое же подключение через цифровой кабель кардинальным образом уменьшает количество ненужных преобразований аналога в цифру и обратно и, соответственно, существенно снижается негативное влияние на звук.
Итак, если сравнить оба варианта (с аналоговым и с цифровым усилителем), то можно заметить, что основная разница, если не вдаваться в детали, заключается в том, что в случае использования аналогового усилителя цифро-аналоговый преобразователь находится перед усилителем, а в случае с цифровым усилителем цифро-аналоговый преобразователь находится после усилителя. И самое главное, что в обоих случаях звук был изначально оцифрован, а следовательно, и в одной системе и во второй та самая «аналоговость» уже отсутствует.
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.