Усилители класса "D".

Усилители класса "D"



Усилители класса D представляют собой исключительный контингент по всем статьям. Первая статья – незаурядные «силовые» возможности агрегатов этого типа, впрочем, чем-то исключительным как раз не является. Известны же эстрадные двух- и трехкиловаттные усилители, которые работают себе в классе АВ и, как говорится, в ус не дуют. Вернее, дуют, и ещё как, правда, не «в ус», а в очень нешуточных размеров радиаторы с помощью вентиляторов, тоже не игрушечных. Это потому, что обычный усилитель изрядную долю подводимой к нему энергии переводит в тепло, которое надо куда-то сбросить, а отсюда радиаторы, габариты, вес, провода в палец и т.д. Да что там эстрада – и в нашей отрасли встречаются "нормальные" аппараты с мощностями в киловатты. Вспомним хотя бы "паука" (Tarantula от SoundStream) или "истребителя сабвуферов" (Steg Master Stroke). Но и у них габариты, масса, вес – всего этого в изобилии. Так что главной особенностью усилителей класса D является не их мощность, а существенно более высокий к.п.д. Чтобы понять, откуда он берется, давайте вначале выясним природу энергетических потерь обычных усилителей.

Как известно, усилитель мощности – это всего лишь преобразователь энергии источника питания постоянного тока в переменный, форма которого копирует входной сигнал. Входной сигнал – слабенький и по напряжению, и по мощности, а на выходе требуется точно такой же, но в тысячи раз мощнее. Выходные транзисторы в этом случае работают как управляемые резисторы, вентили своего рода, которые открываются и закрываются в такт музыкальному сигналу и отправляют в нагрузку (акустику) ток от источника питания в требуемом для данного момента количестве. Транзисторы при этом изменяют свою проводимость от максимальной (кран открыт на всю дырку) до минимальной (закрыт до упора). В тот момент, когда амплитуда сигнала достигает напряжения питания, через транзистор течет большой ток, но, поскольку его сопротивление минимально, тепла почти не выделяется. В тот момент, когда мгновенное значение выходного напряжения невелико, транзистор «держит» на себе все напряжение питания, но его сопротивление максимально, ток течет пустяковый, и опять рассеиваемая мощность мала. А вот в промежутке, когда транзистор открыт частично, и ток через него течет серьезный, и напряжение падает существенное. Теперь уже львиная доля напряжения питания падает на транзисторах, и "лишняя" энергия выделяется в атмосферу в виде тепла. Для усилителя класса В (с нулевым током покоя), работающего на активную нагрузку при максимальной мощности, в идеальном случае расчетный к.п.д. равен 63,6%, а реально – не более 61%. Учитывая, что эффективность импульсного (хорошего) преобразователя питания около 90%, общий к.п.д. получится около 55%. Поэтому, когда производитель мощного усилителя указывает, что overall efficiency у него составляет 56 – 57 процентов, тут есть, чем гордиться. Эффективность снижается и при уменьшении выходного сигнала, и по мере приближения класса АВ к чистому А – здесь может оказаться и 30 и даже 20%.

Идея, на которой основана работа усилителей класса D, далеко не нова. Транзисторы надо отучить от дурной привычки работать в "полуоткрытом" состоянии и перевести в ключевой режим. Либо он полностью закрыт, ток через него не течет и тепло не выделяется, либо находится в состоянии насыщения (полностью открыт) и тепла тоже выделяется немного, поскольку перепад напряжения минимальный. Но как же этого достичь, если аналоговый звуковой сигнал содержит не два уровня ("открыто/закрыто"), а бесконечное множество? Решение известно – это широтно-импульсная модуляция (ШИМ, или PWM); кстати, на этом принципе работает множество регуляторов, начиная от домашнего "диммера" для люстры и заканчивая приводами РЛС. Чтобы не пытаться "на пальцах" разобраться с достоинствами и недостатками усилителей класса D, мы приводим его блок-схему, тем более что схема-то несложная (см. рисунок).

http://www.drag34.ru/images/tuning/ampdscheme.gif

За преобразование непрерывного низкочастотного сигнала в последовательность высокочастотных импульсов отвечают два устройства – генератор пилообразного напряжения и компаратор. Назначение компаратора – сравнивать два сигнала, поступающие на его входы. Как только напряжение на одном из входов сравняется, а потом превысит напряжение на другом входе, выход компаратора переключится из "высокого" состояния в "низкое". Для обеспечения "развертки" импульсов по времени, используется стандартное решение – так называемый генератор пилообразного сигнала (типичное значение частоты для "наших" усилителей – 100 кГц). Пусть постоянная составляющая на "звуковом" входе компаратора точно равна половине высоты "пилы", тогда ширина импульса будет составлять ровно половину цикла. Если низкочастотный сигнал имеет в данный момент положительную полярность, то переход в "ноль" произойдет несколько позже и импульс будет шире. Когда напряжение на "звуковом" входе меньше среднего, то импульс будет, наоборот, уже. Чтобы перейти к двухтактной схеме, надо полученный ШИМ-сигнал дополнить его зеркальным отражением, для чего служит инвертор. Теперь два таких сигнала следует направить на согласующие усилители, которые управляют ключами на полевых транзисторах. В соответствии с управляющими импульсами ключи соединяют "среднюю точку" схемы попеременно с положительным и отрицательным источником питания. Катушка вместе с конденсатором образуют хорошо понятный нам ФНЧ, который из импульсного сигнала выделяет низкочастотную огибающую. На выходном конденсаторе формируется "более положительное" или "более отрицательное" напряжение в соответствии с входным сигналом, и, заметьте, без всяких этих глупостей с перегревом транзисторов. Потери возникают лишь от перезаряда конденсатора (но и они не связаны с выделением тепла) и от резисторов, ограничивающих ток ключей. Теперь смотрите: у нас получился усилитель без обратной связи – это ли не мечта каждого хай-эндщика! Тогда почему они до сих пор не бросили свои прямонакальные триоды и срочно не перевелись в класс "D"?

Наверное, потому, что в таких конструкциях тоже есть свои подводные камни. Начнем с того, что «пила» абсолютно линейна только на рисунке в книжке. Реально она, независимо от способа формирования сигнала (аналоговый или цифровой), слегка кривовата или шероховата, поэтому переключение импульса с плюса на минус происходит не совсем в тот момент, в какой требуется. Отсюда: восстановленный на выходе сигнал будет несколько искажен по сравнению с входным. И тут становится важно, какие частоты усиливает усилитель и на каких работает его импульсная часть. Смотрите: если из-за "кривизны пилы" момент переключения не совпал с требуемым на одну сотую периода "пилы", то на частоте сигнала в десять раз меньше это скажется лишь слегка, а если в сто раз – то станет почти незаметным, там периоды сигнала уж очень большие. Поэтому существенно, что для линейного ШИМ-преобразования частота генератора "пилы" должна быть как можно более (реально – в несколько сотен раз) выше, чем высшая частота входного сигнала. Частоту импульсов нельзя наращивать беспредельно: при больших токах в нагрузку начинает сказываться инерционность транзисторов, и тогда неизбежно появление сквозных токов транзитом от плюса питания к минусу – и тут уже о высоком к.п.д. говорить не приходится. Есть, правда, обходной маневр – это многофазное ШИМ-преобразование, когда используются несколько генераторов "пилы" сравнительно невысокой частоты, но разнесенных по фазе, а потом все выходные сигналы суммируются. Но это уже про деньги, так что проще плюнуть на к.п.д. и оставить все как есть.

Получается, что можно сделать усилитель класса D с широкой полосой, но малой мощностью, или с высокой мощностью, но узкой полосой. В первую категорию попадают усилители, разработанные производителями некоторых марок автомобилей для своих штатных аудиосистем ("Ауди", например). Там получается, что при минимальном энергопотреблении достигается неплохая мощность на акустике, и для нетребовательного слушателя ничего больше и не надо. Требовательный (хотя бы чуть-чуть) сразу заметит нехороший звуковой почерк импульсного усилителя. Вторая область – басовые усилители. Здесь проблема энергопотребления стоит наиболее остро, зато усиливаемые частоты в сотни (тысячи!) раз меньше реально достижимой тактовой частоты, поэтому о существенных искажениях вопрос не возникает.

"Наши" усилители от всех прочих, как всегда, отличаются, прежде всего, наличием фильтров на входе. Поскольку усилители существенно басовые, то фильтры НЧ, как правило, не отключаются. И лишь в одном из участников теста можно было по выбору включить ФНЧ либо ФВЧ, что, впрочем, не избавило его от присутствия неотключаемого ФНЧ, но на более высокой частоте. Кстати, вот эта узкополосность наших сегодняшних подопечных и привела к тому, что измеренные нелинейные искажения оказались неожиданно низкими – высшие гармоники просто не проходят через фильтр. Впрочем, для нас с вами не так уж и важно, каким именно образом обеспечивается высокая линейность усилителя, важнее то, что в своем узком диапазоне они работают совсем неплохо. Другая особенность усилителей этого типа – их практически полная индифферентность к характеру нагрузки. Оно и понятно – обратной связи-то нет (вернее, обратная связь обычно присутствует, но только по постоянному току для поддержания симметрии импульсов при нулевом входном сигнале). То есть все участники сегодняшнего теста на емкостную нагрузку не реагируют никак – и это понятно, поскольку их выход и есть емкость. Еще одна особенность автомобильных моноусилителей: они имеют два суммирующих входа, поскольку у головных устройств, как правило, два сабвуферных выхода (одно исключение нам попалось буквально на днях – читайте внимательно тесты номера). Никто, конечно, вам не запретит использовать один из входов, только чувствительность при этом уменьшится вдвое, что может оказаться даже полезным: усиление по напряжению у всех участников этого теста чумовое. Поэтому мы в таблице технических характеристик приводим в скобках еще и диапазон чувствительности при использовании одного входа. Следующая отличительная особенность этих усилителей – непременное наличие пары линейных выходов, предназначенных для остальной системы. Такие выходы, как правило, стерео, так что мы сочли своим долгом померить на них переходное затухание, чтобы знать, не подсуропит ли первый в цепочке басовый усилитель остальным. И, наконец, для удобства подключения нескольких сабвуферов (мощностя-то какие!) практически все такие усилители имеют не одну, а две пары выходных зажимов. А в таблице технических характеристик мы еще решили дать ориентировочные значения частоты генератора, формирующего сигнал. На технический уровень этот показатель прямо не влияет, но зато можете сами проследить, как связаны мощностные возможности усилителя с этой самой частотой.

А дальше – все как обычно. Басовый регулятор (boost) при таких нешуточных мощностях обязательно должен быть регулируемым, лучше даже с изменяемой центральной частотой. Что характерно, все "Dэшники", которые попали в наш тест, комплектуются дистанционным регулятором "буста" или усиления, что в случае узкополосного басового усилителя почти одно и то же. В аппаратах этой категории бас-буст надо признать опцией более чем оправданной, почти необходимой: ведь такие усилители специально предназначены для убойных уровней басов, и здесь дополнительный контроль не повредит.

И последнее замечание касается действительного к.п.д. усилителей класса D. Чтобы понизить суммарное энергопотребление, измерения выходной мощности проводились при напряжении питания 12,5 вольт. При этом даже для тех экземпляров, у которых мощность зашкаливала за 400 ватт, полкиловаттного стабилизированного источника худо-бедно хватало (защита срабатывала, но не сразу). Вот и прикиньте к.п.д. и сравните его с теми 55 процентами, которые имеют "нормальные" усилители. Зато полкиловаттный эквивалент нагрузки приходил в такое состояние, что даже за подставку можно было взяться только через тряпочку. Впрочем, и усилители к таким режимам не оставались совсем уж равнодушными, но по общим меркам грелись далеко не фантастически.

Петр Хохлов, журнал "АвтоЗвук"