Какие классы усилителей звука бывают?

От Олег Блажеев - 02.02.2024

Какие классы усилителей звука бывают и какой из них подходит для Hi-Fi применения и в чем их отличия?

В мире звуковоспроизведения Высокой Верности (Hi-Fi) усилитель — это сердце любой аудиосистемы. Он преобразует слабый сигнал, содержащий информацию о музыки от источника до такой мощности, которая способна раскачать «раскачать» акустические системы. Однако не все они одинаковы по конструкции и схемотехнике. Их разделяют на классы усилителей звука A, B, AB, C, D, G. Они и определяют принцип работы, качество звука, КПД и сферу применения. В этой статье разбираются конструктивные особенности каждого класса, их плюсы, минусы и подскажем, какой усилитель выбрать под ваши задачи.

Класс A: Эталон звука

Принцип работы: В усилителях класса A транзисторы всегда открыты, даже при отсутствии сигнала. Это означает, что через транзистор проходит ток даже в отсутствие звукового сигнала. При этом нулевой уровень выбирается в середине возможного диапазона работы транзистора. Это позволяет симметрично усиливать как положительные (восходящие), так и отрицательные (нисходящие) полуволны сигнала без отсечки. Это обеспечивает максимальную линейность — сигнал усиливается без таких переходных искажений. Аудиофилы считают, что это лучший класс усилителя звука, не считаясь с его стоимостью, габаритами и энергопотреблением.

Плюсы:

- Беспрецедентное качество звука с мягкими, детализированными высокими частотами и «теплыми» низкими.

- Отсутствие переходных искажений сигнала, когда положительная полуволна сигнала сменяется отрицательной. Такие искажения характерны для класса B, о котором будет рассказано далее.

Минусы:

- Низкий КПД (15-30%). Большая часть энергии тратится впустую, расходуясь на поддержание половины мощности усилителя даже при отсутствии сигнала и преобразуясь в тепло.

- Требует массивных радиаторов и активного охлаждения.

- Может быть снижена динамика.

- Высокая стоимость из-за сложной конструкции.

Где применяется: А-класс транзисторов применяется в как в очень дорогих и/или маломощных усилителях 10-50 Ватт, так и в предусилителях. Там, где важно избежать минимальных искажений и отправить подготовленный аудиосигнал с требуемым уровнем громкости на оконечный усилитель мощности. Примеры: предусилитель Hegel P30A или Matrix Audio MP-1.

Таким образом, усилитель в классе А работает как управляемый источник тока, линейно преобразующий малые входные колебания в усиленный выходной сигнал, сохраняя точность воспроизведения за счёт повышенного энергопотребления.

Класс B: Эффективность ценой качества

Принцип работы: В данной схеме весь звуковой сигнал делится на положительные (восходящие) и отрицательные (нисходящие). Затем сигнал подается на пары транзисторов с максимальным КПД работы, каждый из них усиливает свою полуволну сигнала. Это снижает энергопотери, однако неизбежны значительные искажения сигнала в точке перехода от положительной к отрицательной полуволне. В усилителе звука класса В класса первично усиление сигнала, а не его качество или музыкальность.

Плюсы:

- Высокий КПД (до 70%).

- Компактность

- Низкая стоимость устройства

Минусы:

- Перекрестные искажения при переходе сигнала через ноль. Звук становится «грубым» на малой громкости.

Где применяется: В бюджетной аппаратуре и PA-системах (звукоусиление на концертах), где важна мощность, а не чистота звука.

Класс AB: Золотая середина

Принцип работы: Транзисторы в усилителе звука класса AB работают как "гибрид" — они слегка открыты в покое для плавного переключения между полуволнами, но большую часть времени действуют в парном режиме для усиления каждой полуволны своим транзистором. Этот класс усилителей применяется, чтобы устранить ключевые недостатки усилителей звука. Основная цель — повысить КПД по сравнению с классом A и минимизировать искажения, характерные для класса B (перекрёстные искажения). Это обеспечивает баланс между качеством звука, энергоэффективностью и стоимостью, делая класс AB наиболее популярным решением для усилителей мощности.

Плюсы:

- Хороший баланс качества звука (близко к классу A) и КПД (50-65%).

- Меньший нагрев по сравнению с классом A.

- Низкие перекрёстные искажения. Минимальная "мёртвая зона" благодаря смещению транзисторов.

Минусы:

- Сложнее в проектировании и дороже, чем класс B.

- Требуется точная регулировка смещения для балансировки характеристик транзисторов.

- На очень низких уровнях сигнала все же возможны нелинейности из-за неидеального переключения транзисторов.

Где применяется: Самый популярный класс в Hi-Fi. Например, усилители Hegel или Roksan. Даже High End усилитель Matrix Audio MA-1 сделан в классе АВ.

Класс C: Не для аудио

Принцип работы: Транзисторы открыты меньше половины периода сигнала, что дает высокий КПД, но сильные искажения.

Плюсы:

- КПД до 80%.

Минусы:

- Непригоден для аудио из-за нелинейных искажений.

Где применяется: В радиопередатчиках и высокочастотных схемах.

Класс D: Цифровая революция

Принцип работы: Усилитель звука класса D использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Сигнал преобразуется в импульсы, которые усиливаются транзисторами-ключами (они работают в режиме ВКЛ/ВЫКЛ). То есть транзисторы в усилителе класса D работают как высокоскоростные электронные ключи, обеспечивая высокий КПД. Для модуляции аналогового звукового сигнала он преобразуется в импульсный с помощью сравнения с несущим высокочастотным пилообразным или треугольным сигналом (обычно 200 кГц – 1 МГц). Результат сравнения — импульсы переменной ширины, где ширина соответствует амплитуде входного сигнала. Далее сигнал подается на скоростные транзисторы, объединенные в так называемую H-мостовую схему, что позволяет формировать двуполярное напряжение на нагрузке (акустике). Каждый транзистор работает только в двух состояниях: полностью открыт (низкое сопротивление, минимальные потери) или полностью закрыт (ток не течёт, потери отсутствуют). Частота переключений значительно превышает звуковой диапазон, что делает шум переключения неслышимым.

Плюсы:

- КПД до 95% — почти нет тепловых потерь.

- Компактность (можно уместить в смартфон или сабвуфер).

- Высокая динамика сигнала

- Современные модули цифровых усилителей (например, Purifi, Hypex) конкурируют с классами A/AB по звуку.

Минусы:

- Ранние версии страдали от «цифрового» звучания, но технологии улучшили качество.

- Низкий демпинг фактор из-за конструктивных особенностей такой схемы, что снижает универсальность использования с тугой акустикой.

Где применяется: от недорогих портативных решений, до высокобюджетных Hi-Fi усилителей и сабвуферов. Например, Сабвуфер REL S510 или усилитель мощности Matrix Audio Element P2.

Класс G: Эволюция классов А и AB

Принцип работы: Усилитель звука использует несколько ступеней напряжения питания. При низком уровне сигнала работает от низкого напряжения, при пиках — переключается на высокое, снижая потери. Это позволяет снизить потери мощности при малой амплитуде сигнала, сохраняя способность усиливать пики без искажений. Основные усилительные транзисторы (обычно биполярные или MOSFET) формируют аналоговый сигнал, как в классе AB, но питаются не от фиксированного напряжения, а от переключаемых источников (например, +15 В для тихих участков и +50 В для пиков). Вспомогательные транзисторы или диоды управляют переключением между уровнями питания. Они подключают к выходному каскаду либо низкое, либо высокое напряжение в зависимости от мгновенной амплитуды сигнала.

Таким образом, транзисторы в классе G работают как «интеллектуальные» линейные усилители, динамически переключаясь между уровнями питания. Это позволяет снизить энергопотери без ущерба для звучания, делая класс G популярным выбором для высококачественных и энергоэффективных аудиосистем.

Плюсы:

- КПД выше, чем у AB (до 70%).

- Лучшее управление мощными динамиками.

- Минимальные искажения: Линейный режим транзисторов сохраняет качество звука, в отличие от импульсных методов класса D

Минусы:

- Сложная схемотехника.

- Более высокая стоимость идентичных по уровню исполнения усилителей по сравнению с АВ.

Где применяется: наиболее известно использование в стерео и театральных -AV системах от компании Arcam. Например, AV-ресивер Arcam AVR31 или стереоусилитель Arcam Radia SA35.