Усилители звука. Разновидности, классы усиления и виды схемотехники

Время чтения: 21 минута

Первый звуковой усилитель в виде законченного устройства был сконструирован около 1912 года американским изобретателем Ли де Форестом. Это стало возможным из-за изобретения им первого, широко применяемого практически, усилительного электронного компонента — «аудиона» — электровакуумной лампы-триода в 1907 году. «Аудион» представлял собой трёхэлектродную лампу: в двухэлектродный диод Ли де Форест ввёл третий электрод — управляющую сетку, которая изменяла величину потока электронов от катода к аноду, усиливая тем самым электрические колебания. Конструкции на их основе доминировали в области звуковоспроизведения до середины 1960-х годов.

Первые транзисторные модели появились на рынке в конце 1960-х, а уже начиная с 1970-х годов большинство приборов полностью собраны как на биполярных (BJT), так и полевых JFET- и MOSFET-транзисторах (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»). Транзистор-усилители более экономичны, а еще надёжнее, чем ламповые.

Появление в середине 1970-х на рынке мощных и надёжных Hi-Fi-аудиоусилителей обусловлено массовым внедрением полевиков с изолированным затвором (MOSFET). Все ведущие японские компании (Sony, JVC, Toshiba, Yamaha, Pioneer), занимающиеся выпуском звуковоспроизводящей и записывающей аппаратуры, продолжили совершенствование MOSFET-транзисторов для внедрения в изделия. К середине 1980-х их характеристики достигли уровня, достаточного для разработки на их основе принципиально нового типа электроприборов — класса D, в которых транзистор работает не в усилительном, а ключевом режиме, поэтому удалось добиться высочайшей мощности, экономичности, компактности.

Позже, с развитием микроэлектроники, отдельные дискретные радиокомпоненты стали объединяться в микросборки, а затем и в микросхемы, полностью реализующие функционал звукоусилителя.

Несмотря на широкое внедрение полупроводниковых компонентов, электроламповые версии и сейчас не теряют своей популярности. Даже большое энергопотребление, громоздкость и стоимость в сочетании с низкой надёжностью, не помешали им занять место в нише сверх высококлассной звуковоспроизводящей Hi-End-техники, а также «музыкальных» — электрогитарных и микрофонных, звукоусилителей. Их популярность в «благозвучности» вносимых схемотехникой искажений, именуемых «тёплый ламповый звук», а также идеальной эстетике, если сравнивать с безликой «цифрой».

Здесь описаны основные приборы, являющиеся готовыми устройствами или входящими в состав другой аппаратуры.

Также сокращённо именуемый «предусилитель», это электронный аудиоусилитель, который поднимает слабый входной сигнал до уровня, делающего его устойчивым к помехам и наводкам, а также достаточным для последующей обработки, подачи на усилитель мощности или наушники. Он нужен для работы с аналоговыми источниками: микрофонами, звукоснимателями проигрывателя виниловых пластинок или электрической гитары и другими. Так как аудиосигнал с таких источников крайне низкой амплитуды (от единиц до десятков микровольт), то критически важна защита от внешних помех и наводок, путём внедрения экранированных соединительных кабелей и внутренних цепей, работающих непосредственно с входным каналом. Также при их проектировании учитывают установку малошумящих элементов: операционных усилителей или транзисторов. Усиленный сигнал получается амплитудой порядка 1 вольта, что позволяет ему быть помехоустойчивым и стойким к наводкам.

Установки выполняются как отдельные устройства, но чаще выступают частью аудиоаппаратуры: например, полного усилителя (состоящего из предусилителя и усилителя мощности), микшерного пульта или педали эффектов для электрогитары.

Предусилители также выпускаются на основе радиоламп, которые привносят в усиливаемое аудио характерную «тёплую ламповую» окраску, особо ценную у любителей сверх высококачественного звуковоспроизведения и профессиональными гитаристами.

Это электронный прибор, усиливающий входной сигнал с предусилителя для достижения уровней напряжения и силы тока, достаточных для работы громкоговорителей и состоящих из них АС. Изначальная мощность источника составляет милливатты, тогда как на выходе она достигает единиц и десятков ватт (домашняя акустика) до сотен киловатт (концертное оборудование). У устройства низкое выходное сопротивление, которое нужно для подключения низкоомной нагрузки (1-16 ом).

Так как усилители мощности (УМ) оперируют с аудиосигналами относительно большого уровня, то вопрос помехозащиты стоит на втором плане. Первоочередная задача — предоставление высокомощной выходной нагрузки при минимальном искажении. Схемотехнически это достигается установкой мощных транзисторов, позволяющих пропускать через себя ток большой силы, а также относительно высоковольтным питанием выходных каскадов, которое от нескольких десятков до сотен вольт.

Как и предусилители, они также бывают на радиолампах, способных обогатить звучание благозвучной «ламповостью», которая ценится любителями высококачественного звука.

Помимо стационарных, существуют модификации для автомобильных АС. Их особенность — встроенный повышающий преобразователь напряжения, применение которого вызвано требованием к питанию автоусилителей от бортовой сети DC автомобиля номиналом 12 вольт.

Он предназначен, как ни странно, для работы с наушниками. Схемотехнически это УМ, выдающий порядка 1 ватта и взаимодействующий с относительно высокоомной нагрузкой (32-600 ом).

Практически каждое электронное устройство с возможностью воспроизведения позволяет подключать наушники: примерами служат смартфоны, ноутбуки, портативные плееры и многие другие. Они уже содержат на борту маломощный звукоусилитель для наушников, с невысоким усилением и низким качеством воспроизведения. Рассчитан он на динамики сопротивлением 32-64 ом. Профессиональные и более высокоомные наушники (до 600 ом) могут работать только совместно с внешним спецусилителем.

Они бывают как портативными, так и стационарными. Портативные, как правило, выполнены по транзисторной схемотехнике, хотя и есть модели, имеющие в своей основе сверхминиатюрные электрорадиолампы. Нередко содержат цифро-аналоговый преобразователь для непосредственного подключения к цифровым источникам аудиосигнала.

Его еще называют фонокорректор. Это специализированный тип предусилителей для усиления и спектральной коррекции аудиосигнала, поступающего со звукоснимателя аудиопроигрывателя винила. Записи на виниле, вопреки расхожему мнению о высокой верности и точности, содержат специально внесённые искажения. Их амплитудно-частотная характеристика известна как кривая RIAA. Необходимость внесения предыскажений вызвана особенностями технологии звукозаписи на винил, а также компромиссом между качеством и плотностью записи. Корректор предназначен как раз для восстановления исходного сигнала путём спектральной коррекции предыскажённого.

Большинство предусилителей и полных звукоусилителей включают в состав предусилитель-корректор и, соответственно, поддержку подключения звукоснимателя для пластинок. Но системы воспроизведения Hi-End-класса комплектуются отдельными внешними предусилителями-корректорами, выполненными в том числе и по ламповой схемотехнике.

Он нужен, чтобы подключать к нему электрогитары, и имеет специфичные только для него особенности: всего один канал усиления, поддержка перегрузки входного каскада, реализующей эффекты «овердрайв» и «дисторшн», совмещение в одном корпусе с АС («комбоусилитель») и другие.

Как и Hi-End-оборудование, особенно ценятся аппараты, выполненные по ламповой схемотехнике: характерная окраска и динамика звука идеально сочетается со звучанием электрогитары.

В 1919 году сотрудником Bell Labs, после проведения исследований, был опубликован анализ действия «аудиона» и определены его основные классы (режимы) работы — конкретно, усиления: A, B и C. Также был задан промежуточный AB. В 1950-е годы классификация была дополнена особым видом D, в котором радиолампа работает в режиме не усиления, а ключа. A, B, AB, C и D — основные. Некоторые относятся только к усилителям высокой и сверхвысокой частоты, к примеру, C, E, F и многие другие, а остальные, особенно появившиеся в 2000-е годы, не классы как таковые, а зарегистрированные торговые марки, к примеру, T, W, Z.

Здесь через активный электронный компонент (АЭК — лампу или транзистор), не прерываясь, всегда протекает ток, независимо от мгновенного значения на входе, но не допускается его работа в режиме отсечки или насыщения. Класс отличается низким КПД (не более 25%), но высокой верностью воспроизведения. На практике для построения УМ не пригоден, но применим в качестве основного активного блока предусилителей. Редко, но используется в схемотехнике экзотических ламповых Hi-End-моделей.

Здесь один из двух АЭК усиливает положительную полуволну входного сигнала, а другой — отрицательную. В момент его отсутствия компоненты закрыты и ток не потребляют. Таким образом, достигается высокий КПД, но при переходе АЭК из закрытого состояния в открытое и наоборот возникают перекрёстные искажения, что негативно отражается на качестве воспроизведения. В чистом виде этот класс для звукоусиления не применяется.

Он стал промежуточным между A и B. Он ближе к B-классу, в который введён небольшой ток покоя активных элементов, позволяющий находиться им всегда в открытом состоянии и снизить тем самым перекрёстные искажения до приемлемых. Оптимален для звукоусилителей.

Основной идеей здесь стало импульсное управление процессом усиления. Она была предложена ещё в начале 1950-х годов, когда электронная техника проектировалась преимущественно на лампах. Но до массового внедрения высокоскоростных и мощных MOSFET-транзисторов попытки изготовить D-усилитель заканчивались провалом.

Особенность работы АЭК (будем считать, что это только полевые MOSFET-транзисторы) — их ключевой режим: транзистор или открыт или закрыт. Сопротивление открытого канала чрезвычайно мало, и в таком состоянии он работает практически без потерь мощности. КПД достигает 95%.

Принцип работы основан на модулировании входным аудиопотоком высокочастотного генератора сигнала прямоугольной формы. Посредством драйвера, ВЧ-генератор управляет моментом открытия и закрытия силовых MOSFET-транзисторов. На их выходах есть сглаживающая высокочастотные пульсации LC-цепь. После нее формируется непрерывный аналоговый сигнал, максимально приближенный по форме ко входному.

Прибор этого класса получил самое лучшее соотношение мощности к форм-фактору, другими словами — наиболее компактный.

Они более совершенные разновидности AB-класса и гораздо энергоэффективнее, чем чистый AB.

Ввиду гармонической сложности сигнала аудиоусилитель лишь незначительную часть времени работает в режиме мощности, близкой к максимальной: большую часть происходит усиление относительно тихих звуков. Выходит, высоковольтное электропитание выходных каскадов (следовательно, и высокий ток покоя) требуется в пиковые моменты усиления особо громких тонов, а когда усиливаются тихие, напряжение (с током покоя) легко снижается.

В моделях G-класса электронным образом происходит переключение шин питания на более высоковольтные при усилении громких звуков, и на низковольтные, если нужно усилить тихие. А у H-класса происходит непрерывное слежение за уровнем сигнала и автоматическая корректировка напряжения питания.

Аудиоустройства таких классов — практически совершенны. Их недостатки — сложная схемотехника и высокая стоимость.

До 1970-х годов вся электронная аппаратура основывалась исключительно на радиолампах. Не исключение и усилители. Они были как высокой, так и низкой частоты у радиоприёмников, радиол, магнитофонов; ламповыми выпускалась и вся связная аппаратура. Недостатки электровакуумных электронных приборов были очевидны ещё на заре их разработки:

Ламповая схемотехника лишь со множеством компромиссов применима к портативной технике. В итоге она технически сложна, материалоёмка, требует множества ручных операций при сборке и наладке, ненадёжна, чрезвычайно тяжела и громоздка.

Неоспоримое, но чрезвычайно субъективное достоинство ламповой техники — высокая эстетичность. Этот фактор, и, что бесспорно главное, особая, «ламповая», окраска звучания, не дают ей полностью стать частью истории.

Сегодня электровакуумные лампы и аппаратура на их основе прочно заняли две ниши: звуковых усилителей сверхвысокого качества звучания (Hi-End) и для электрогитар. Современные транзисторные аудиоприборы, особенно с цифровой микропроцессорной аудиообработкой, могут полностью смоделировать работу ламповых звукоусиливающих каскадов, но важную для нас, эстетическую часть восполнить они не в состоянии. Так что о том, что лампы будут когда-то полностью забыты, говорить не приходится.

Транзисторная схемотехника появилась вслед за ламповой, и на первых порах проигрывала ей почти во всём. Первые транзисторы не были надёжнее электроламп, давали скромный коэффициент усиления и много стоили. Но по мере совершенствования технологии, они не только догнали, но и перегнали лампы по всем эксплуатационным параметрам.

Транзисторные сборки отличает энергоэффективность, особенно у представителей класса D, недостижимая для ламповой техники надёжность, сочетание высоких рабочих характеристик, таких как мощность с компактностью. И ещё — совершенство схемотехники, которое помогло создать устройства сверхвысокой верности звуковоспроизведения и добиться низкого КНИ порядка 0.001%. В принципе недостижимого для техники, основанной на электровакуумных компонентах.

Явных недостатков у транзисторных версий нет, кроме непредельной степени миниатюризации, значительно возросшей у интегральных модификаций.

Они по сути транзисторные, за тем исключением, что все или почти все дискретные элементы собраны на одной микросхеме: и предусилитель, и блок регулировки тембра, и УМ, и цепи защиты. Так уменьшается общее количество деталей, снижается энергопотребление, повышается надёжность с компактностью.

Сегодня почти вся портативная звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура основана на них.

Они объединили схемотехнику нескольких видов, как правило, ламповую и транзисторную: типичный представитель состоит из предусилителя на радиолампах и УМ на транзисторах. При таком родстве он показывает характерную «ламповость», но при этом высокую выходную мощность при скромных габаритах, массе и стоимости, как у продуктов, основанных на транзисторной схемотехнике.

Один из недостатков ламповой аудиотехники — высокое выходное сопротивление, требующее дорогого согласующего трансформатора между выходными лампами и громкоговорителями. Но транзисторные выходные каскады его не требуют, ввиду малого сопротивления на выходах. Применение транзисторного или интегрального выходного каскада позволяет заметно снизить стоимость оборудования и повысить рабочие характеристики.