Импульсные усилители до сих пор являются спорной темой – с точки зрения аудиофилов. Большинство из них считают, что эти конструкции не способны (пока?) заменить «более аудиофильские» классы А и АВ. Но эту точку зрения не разделяет растущая группа специализированных производителей, среди которых такие известные бренды, как Marantz или Theta.
Импульсные усилители — так где же истина?
Начнем с того, что такое импульсный усилитель, чаще называемый усилителем класса D. Это особый тип усилителя мощности, в котором выходные транзисторы (обычно МОП-транзисторы) работают в режиме быстрого переключения между состояниями полной проводимости (насыщение) и полного выключения (отсечка). Такая схема работы усилителя принципиально отличается от принципа работы «обычных» усилителей класса А или АВ. Отличия заключаются в том, что у этих усилителей через активные элементы (транзистор, лампу) постоянно протекает фиксированный ток покоя, необходимый для корректной работы схемы. А в импульсном усилителе ток покоя через такие же компоненты не протекает.
Обозначение классов усилителей
Величина этого тока определяет структуру проводимости конечных транзисторов — или, точнее, какую часть полного периода синусоиды проводит один усиливающий элемент. Отсюда и происходят определения режимов работы различных классов усилителей: А, В, АВ, С. Интересно, что принятая методика определения классов работы усилителей совершенно не объясняет специфику класса D. Буква «D» имеет прежде всего исторический контекст – она была использована как следствие установившейся в течение многих десятилетий этой условности деления на упомянутые классы. Это была просто еще одна буква алфавита.
Также нужно упомянуть, что в английском языке «D» — это сокращение от слова «Digital». А поскольку работа усилителя класса D напоминает цифровые устройства, в частности аналого-цифровые преобразователи, в аудиоиндустрии принято (неправильно!) использовать термин «цифровой усилитель» вместо термина «класса D», то есть импульсный усилитель. Как видите, класс D – понятие чисто условное и, по сути, неточное. Но, поскольку оно прочно вошло в аудиолексикон, мы будем придерживаться принятых условностей.
Эффективность: класс D против A и AB
Класс работы усилителя примерно определяет его эффективность, хотя это зависит и от других факторов. В частности от реальной нагрузки на выходные каскады, проще говоря, от текущей выходной мощности. Чем она меньше – то есть чем тише мы слушаем музыку, тем эффективность постепенно снижается. В самом оптимистичном, но и наименее реалистичном случае класс А достигает КПД 20-25% – но это касается номинальной мощности. При 1/10 мощности КПД усилителя этого типа снижается всего до 3%. Класс АВ явно лучше, хотя все равно очень неэффективен — соответствующие показатели 50 и примерно 15-18%.
Это означает огромные потери электрической энергии, которая не только безвозвратно теряется, но и выделяется в виде тепла. Такое поведение усилителя излишне нагревает всю электронную систему, ухудшая условия ее работы и сокращая срок службы некоторых компонентов (например, конденсаторов). Для сравнения, импульсные усилители класса D достигают максимальной эффективности 90-95%, а на 1/10 от полной мощности — примерно 78%. Это позволяет импульсному усилителю достигать гораздо более высоких мощностей, при сохранении приемлемых размеров корпуса. Нельзя также забывать, что меньшие потери мощности означают также меньшие размеры блока питания, меньшие радиаторы, большую свободу в оптимизации схемы и, как следствие, более короткие пути прохождения сигнала.
Как работают импульсные усилители?
Как мы уже упоминали, в импульсном усилителе через активные элементы не протекает ток покоя. Транзисторы не обеспечивают усиление сигнала, а действуют как переключатели, работающие в двух состояниях: отсечки (непроводимости) и насыщения. Это второе состояние соответствует «открытию крана», то есть подаче напряжения питания на выход усилителя; а первое блокирует его. Транзисторные пары никогда не проводят ток одновременно: проводит ток либо один транзистор, либо другой (это критический момент — иначе в блоке питания произойдет короткое замыкание). Отсюда и высокий КПД класса D – тепло выделяется на компонентах лишь в течение короткого момента импульса, в то время как в классических конструкциях тепловые потери происходят непрерывны (ток покоя).
Минимальная частота переключения определяется законом Nyquista, который гласит, что она должна быть как минимум в два раза выше верхней границы полосы усиливаемого сигнала. На практике частота переключения может составлять от 80 Гц до даже одного мегагерца.
Блок-схема типичного усилителя класса D
Первый каскад импульсного усилителя представляет собой схему, преобразующую изначально непрерывный (неквантованный) аналоговый сигнал (в случае входных сигналов поток сигналов теоретически несколько упрощается) в последовательность двоичных (нулевых) импульсов, которые в дальнейшем управляют включением и выключением оконечных транзисторов. Для этого используются генератор треугольных (пилообразных) сигналов и компаратор. При этом сравниваются два входных сигнала, выдавая на выходе один из двух возможных результатов, определяя, является ли сигнал меньше или больше стандартного.
Чаще всего мы имеем дело с широтно-импульсными модуляторами (ШИМ), реже – с модуляторами глубины импульса (PDM). В обоих решениях идея заключается в том, чтобы максимально точно описать входной сигнал, используя состояния «ноль-единица». Другими словами, усилитель выдает серию импульсов с одинаковой амплитудой, но (в случае ШИМ) разной длительностью состояний «0» и «1».
Схема работы ШИМ-модулятора и восстановления выходного аналогового сигнала
Степень заполнения состояниями с высокой амплитудой (1) представляет собой амплитуду (аналогового) сигнала. Это означает: много широких импульсов соответствуют большой амплитуде сигнала, узкие импульсы соответствуют небольшим сигналам. Если усреднить все это по времени, то обнаружим, что сигнал на динамики поступает так, как и должен поступать. Для этого необходим еще один важный и основной элемент импульсного усилителя. То есть выходной фильтр (обычно это последовательная катушка и параллельный конденсатор — LC). Задачей, которого является так называемая реконструкция аналогового сигнала. Или проще говоря — очистка его от высокочастотной «грязи», являющейся результатом быстрого переключения транзисторов и эффектов наложения спектров. Без аналогового выходного фильтра высокочастотный сигнал ШИМ-сигнал разрушил бы твитер. Все это должно быть охвачено глобальной (и не только) обратной связью. В противном случае искажения усилителя будут очень высокими.
Импульсный усилитель класс D
Тем не менее все же нужно обратиться к термину «цифровой усилитель», который используется для обозначения устройств, оснащенных только цифровыми входами S/PDIF, AES/EBU или USB. Большая часть сигнального тракта в них действительно может быть цифровой, но само усиление в принципе остается аналоговым.
Проблемы для класса D
Первый усилитель класса D был построен в 1960-х годах, так что в нем нет ничего нового. Но эта инновационная концепция должна была быть доведена до совершенства соответствующей технологией, которая появилась сравнительно недавно — примерно в середине 1990-х годов. Чтобы хорошо сконструировать импульсные усилители требуется знания сложного моделирования и обширных навыков схемотехники. Современные усилители класса D отличаются друг от друга, используемой обратной связью и способом переключения транзисторов.
МОП-транзисторы реагируют с определенной задержкой, поэтому переход от отсечки к насыщению имеет определенную задержку, которая не является мгновенной. В результате возникает так называемое «мертвое время». С одной стороны, разработчики стремятся сократить это время, поскольку ситуация, при которой оба выходных транзистора (пара) «выключены», приводит к потерям энергии. А с другой стороны – слишком короткое «мертвое время» создает возможность одновременного включения обоих транзисторов, что приводит к короткому замыканию источника питания. Аналогично, увеличение частоты переключения позволяет более точно описать форму аналогового сигнала серией ШИМ-импульсов, но это снижает эффективность и увеличение искажений. Задача разработчика – умело локализовать эти противоречия.
NAD C368 – недорогой интегральный усилитель, способный убедить скептиков. Год назад он произвел на нас большое впечатление
Объективной слабостью усилителей класса D является то, что на выходе используется пассивный фильтр (LC), на характеристики которого сильно влияет тип нагрузки, т.е. сопротивление акустических систем. По понятным причинам производитель не имеет возможности оптимизировать выходной фильтр для сотен различных комплектов акустики. Для решения этой и других проблем в последние годы большое внимание уделяется проектированию цепи обратной связи, которая отвечает за минимизацию искажений, создаваемых усилителем класса D. Появились различные решения и передовые технологии для преодоления других недостатков импульсных усилителей класса D, а именно:
- высокое выходное сопротивление (приводящее к низкому коэффициенту демпфирования),
- относительно высокий уровень искажений THD на высоких частотах,
- относительно узкая полоса пропускания по мощности и фазовые искажения на высоких частотах.
В результате многие авторитетные производители все смелее и чаще обращаются к импульсным конструкциям. Во многом это заслуга специализированных производителей модулей усилителей класса D, которые представляют все более совершенные решения. В новейшем усилителе высокого класса Marantz PM-10 используются модули Ncore от Hypex, то же самое относится и к усилителям мощности Mola Mola. В нынешней серии Classic от NAD используются слегка более дешевое решение от того же бренда (в более дорогих моделях применяется система DDFA от CSR). Нет недостатка и в производителях, использующих другие готовые решения, такие как ICEPower. Число производителей, использующих класс D, растет с каждым годом.
Но все таки, большой проблемой для разработчиков по-прежнему остается борьба с электромагнитными помехами, которые в избытке создают импульсные усилители. Они проникают по соединительным кабелям и заземлению источника питания, создавая помехи другим устройствам в системе. По этой причине при использовании усилителя класса D нужно следить за соблюдением основных (и по сути универсальных) правил построения Hi-Fi-систем. В частности это касается правильного порядка в прокладке проводов и расположении устройств (не ставить CD-проигрыватель или ЦАП на импульсный усилитель) и так далее. Также может быть полезным использование полосовых фильтров для устройств со слабым сигналом (источников звука, предусилителей).