Основные параметры усилителей мощности

Что такое усилители мощности звука? Будь то дома, на концерте, во время работы в студии или в автомобиле — усилитель является одним из ключевых компонентов любой стереосистемы. Что именно он собой представляет? Проще всего сказать, что это электронная схема, задачей которой является создание аналогового сигнала на выходе, который является улучшенной копией сигнала, поданного на вход.

Что такое усилители мощности — основные свойства и параметры

Но разве это все? Конечно же, нет. От множества профессиональных терминов, связанных с усилителями, может закружиться голова. Является ли гибридный усилитель лучше транзисторного? Что такое коэффициент демпфирования? Что это за классы? И вообще, что такое усилители? На самом деле, их очень много, но это не значит, что некоторые понятия нельзя объяснить простым способом.

Исторически первым элементом для усиления электрических сигналов была простая триодная электронная лампа. Она была изобретена в 1906 году Ли де Форестом и шесть лет спустя привела к созданию первых ламповых усилителей. Этот тип конструкции доминировал на рынке до шестидесятых и семидесятых годов прошлого века. В 1947 году начали производиться первые транзисторные усилители.

Разумеется, приведенные ниже соображения относятся не только к стереоусилителям, но и в значительной степени к многоканальным ресиверам или моноусилителям, используемым, например, в активных сабвуферах и беспроводных колонках. Когда мы говорим об усилителе, мы обычно имеем в виду интегральный усилитель, т.е. устройство, сочетающее в себе предусилитель и усилитель мощности.

Вкратце, предусилитель — это часть усилителя, отвечающая за «управление», то есть выбор входа, регулировку громкости и — в зависимости от комплектации конкретной модели — внесение дополнительных настроек, таких как установка уровней низких и высоких частот.

Принцип работы предусилителя обычно заключается в начальной фильтрации и усилении напряжения сигнала. Усилитель мощности, как следует из названия, занимается окончательным усилением подаваемого сигнала. Его задача — создать «увеличенную копию» сигнала, полученного от предусилителя.

Все кажется простым, пока мы не сталкиваемся с выбором усилителя и не начинаем изучать подробные описания и таблицы с техническими данными. Тема довольно сложная, особенно для аудиофилов, не имеющих представления об электронных схемах. Если отличить компоненты друг от друга не является большой проблемой, то понять принцип работы схемы — да.

Более того, некоторые вопросы, связанные с усилителями, до сих пор остаются спорными. Является ли усилитель класса A лучше, чем усилитель класса AB? Отсутствие обратной связи — это плюс или минус? Всегда ли лучше иметь больше мощности?

В описаниях на сайтах производителей вы часто встречаете одни и те же термины, относящиеся к типу конструкции, производительности и, конечно, качеству сборки той или иной модели. Итак, давайте начнем с того, что разберемся с основными терминами, связанными с усилителями, особенно с лучшими УНЧ XXI века.

Философские вопросы

Что такое усилители интегральные и разделенные?

Хотя термин «усилитель» ассоциируется у нас с одним устройством, типичный аудиофильский подход требует разделения этих компонентов. Во многих системах класса hi-end используются раздельные усилители, состоящие из отдельного предусилителя и усилителя мощности. В некоторых случаях можно пойти еще дальше, используя, например, два усилителя мощности.

Если один из них питает басовую часть, а другой — средне-высокий диапазон, мы говорим о так называемом би-ампинге (или три-ампинге, в случае трех стерео усилителей мощности). С другой стороны, если мы используем один усилитель для одного канала, мы имеем дело с моноблоками (монофоническими усилителями мощности). Это решение имеет свои неоспоримые преимущества.

Размещение предусилителя и усилителя мощности в одном корпусе — довольно сложная задача для инженеров. Каждая из этих секций имеет свою потребность в токе и работает с сигналами разных параметров. Предварительный усилитель с «маленькими», а усилитель мощности с «большими». Поэтому обе части могут мешать друг другу.

Второй важный вопрос — это отвод тепла от усилителя мощности, чтобы излишне не нагревать схемы предусилителя. Тем не менее, интегрированный усилитель — это решение, которое мы будем видеть гораздо чаще в реальной жизни. Общее шасси означает меньшую стоимость производства и меньше хлопот для пользователя. Именно поэтому большинство усилителей, предлагаемых на рынке, являются интегральными. Поэтому, нужно иметь четкое представление, что такое усилители различных типов.

Лампа, транзистор, гибрид?

Одним из важнейших элементов, определяющих форму, параметры и звучание нашего усилителя, является тип компонентов, отвечающих за сам процесс усиления. Это могут быть электронные лампы или транзисторы. Другие решения используются гораздо реже, и даже если мы говорим об усилителях с использованием интегральных схем, они все равно де-факто являются полупроводниковыми элементами.

Хотя исторически транзисторы вытеснили лампы, в мире аудиофилов дискуссия остается открытой. Даже в эпоху стремительного технологического прогресса всегда найдутся сторонники как ламповых, так и твердотельных усилителей. Говорят, что у ламповых систем есть душа, они звучат теплее, приятнее и естественнее.

Транзисторы обычно обеспечивают большую мощность и более надежно управляют подключенными динамиками, часто также обеспечивают лучшие басы и «некоторые другие вещи». Комбинацией обоих миров являются гибридные усилители, в которых обычно используются лампы в секции предусилителя и транзисторы в усилителе мощности. Что выбрать? По сути, это дело вкуса, так что давайте вернемся к вопросам, отягощенным меньшей дозой субъективности.

Основные параметры каждого усилителя

Мощность

Первый и самый важный — это мощность, выраженная в ваттах (Вт). Однако, хотя на бумаге значение, указанное производителем, кажется постоянным, в действительности оно зависит от нескольких факторов, таких как, например, импеданс подключенных колонок или количество контролируемых каналов. Пользователь сам определяет мощность в данный момент, устанавливая соответствующий уровень громкости.

Обычно мы видим максимальную мощность, но это еще не все. Мы должны задать вопрос, что это за мощность и как она была измерена. Производители усилителей и приемников чаще всего используют здесь номинальную мощность. Это мощность, которую может выдать данная система без превышения предполагаемого коэффициента искажения (обычно он составляет 1%).

В таблице технических характеристик мы также можем увидеть музыкальную мощность. Разница в том, что номинальная мощность измеряется при более длительной работе усилителя, а музыкальная мощность — при мгновенной работе. Если бы мы захотели указать оба значения для одного и того же усилителя, то музыкальная мощность, вероятно, будет заметно выше номинальной.

Для получения еще более высоких результатов некоторые производители также указывают мощность RMS (Root Mean Square), также называемую эффективной мощностью, или PMPO (Peak Momentary Performance Output), определяющую мгновенную пиковую мощность.

Здесь мы имеем дело с мощностью, которую данное устройство может выдавать в течение очень короткого времени, например, миллисекунды. Как вы можете догадаться, этот результат будет выглядеть намного лучше, чем «реальная» номинальная мощность.

Частотная характеристика

С остальными параметрами усилителя у нас не должно возникнуть подобных проблем, хотя и здесь следует обратить внимание на несколько деталей. Многие пользователи обращают внимание на частотную характеристику, т.е. диапазон частот, с которым может справиться данная модель. Предполагается, что орган слуха человека охватывает диапазон от 20 Гц до 20 кГц, поэтому такие требования предъявляются к усилителям.

Большинство современных конструкций не должны иметь с этим больших проблем. Однако следует отметить «погрешность», с которой проводилось измерение. Чаще всего частотная характеристика измеряется с перепадом в 3 дБ. Это означает, что заданные граничные частоты воспроизводились в два раза тише, чем остальная часть диапазона. Некоторые, однако, указывают частотную характеристику с падением на 6 дБ и более, а многие компании вообще не информируют нас об условиях измерения.

Что такое усилители? — Искажение

Что такое усилители и какие они могут создавать помехи? Общий уровень гармонических искажений (THD), также важен для любого усилителя. Это не что иное, как общее значение «добавок», которые та или иная система добавляет к исходному сигналу. Он указывается в процентах. В большинстве транзисторных усилителей мы будем иметь дело с долями процента, скажем, 0,05%, в то время как в ламповых усилителях THD может достигать 1%.

Как правило, чем меньше число, тем лучше. Однако стоит отметить, что имеет значение не только уровень, но и тип искажения. Например, будет ли у нас больше четных или нечетных гармоник. Усилитель также может создавать интермодуляционные (IMD) или переходные (TIM) искажения. Некоторые производители перечисляют каждый коэффициент искажений отдельно, но это очень редкая практика.

Соотношение сигнал/шум

SNR (Signal to Noise Ratio) — это не что иное, как разница между уровнем выходного сигнала и всеми нежелательными сигналами, которые будут его сопровождать. Чаще всего речь идет о шуме и гуле, возникающих во время работы усилителя.

Отношение сигнал/шум может быть выражено двумя способами — как невзвешенная величина (измеряется по линейной шкале) или взвешенная (когда при измерениях используются так называемые кривые коррекции, среди которых наиболее популярной является кривая А). Интервал обычно выражается в децибелах (дБ). Чем выше SNR, тем лучше.

Разделение каналов

В двухканальном усилителе нам почти всегда придется иметь дело с перекрестными помехами, или «утечкой» звука из одного канала в другой. Конечно, это нежелательное явление. Измерение межканальных перекрестных помех обычно выполняется с помощью синусоидального тона с частотой 1 кГц.

Если мы воспроизводим его только в одном канале, мы должны легко считать напряжение, полученное во втором канале. Измеренное значение указывается в децибелах, и, как и в случае с отношением сигнал/шум, чем выше значение, тем лучше.

Чувствительность и входной импеданс

Что такое усилители и что значит чувствительность? Чувствительность (также называемая номинальным входным напряжением) — это просто напряжение на входе усилителя, которое при выкрученном на максимум потенциометре обеспечит номинальную мощность на выходе. Другими словами, это параметр, который говорит нам, насколько сильный сигнал мы должны подать на усилитель, чтобы выжать из него максимальную мощность.

Чувствительность указывается в вольтах (В) и измеряется на определенной частоте, обычно 1 кГц. Входное сопротивление задается в омах (Ω) и является параметром, от которого зависит правильная работа нашего усилителя с исходными устройствами, такими как конвертеры или CD-плееры.

Если импеданс усилителя слишком мал по отношению к источнику сигнала, он будет перегружать его и, соответственно, ослаблять сигнал. Мы имеем дело с гораздо лучшей ситуацией, когда входной импеданс усилителя намного выше, чем импеданс плеера или стримера.

Коэффициент демпфирования

Многие аудиофилы приравнивают этот параметр к способности усилителя «управлять» колонками, и не без оснований. Большинство динамиков преобразуют электрические сигналы в звук с помощью вибрирующей мембраны, которая вместе с катушкой и элементами подвеса имеет собственную массу и, следовательно, определенную инерцию.

Если наш усилитель выдает короткий, молниеносный импульс отсечки, было бы идеально, если бы мембрана так же быстро вернулась в исходное положение и стала неподвижной. Однако, поскольку он уже приведен в движение, он, вероятно, начнет продолжать раскачиваться до определенной точки или вернется обратно в очень неконтролируемой манере.

Во время этого движения в катушке громкоговорителя индуцируется ток, который должен быть подавлен. Поэтому эта задача автоматически переходит к усилителю. Коэффициент демпфирования рассчитывается как отношение номинального импеданса динамиков к выходному импедансу усилителя. Поэтому он выражается в виде целого числа, например, 20, 100 или 500. Чем выше коэффициент демпфирования, тем лучше.

Потребляемая мощность

Это, вероятно, довольно очевидный параметр, напрямую связанный с выходной мощностью и эффективностью нашего усилителя. Стоит отметить, что многие производители указывают мощность, потребляемую в режиме ожидания, в так называемом режиме простоя (когда устройство включено, но не играет), а иногда также «номинальную» мощность и, конечно, максимальную мощность.

Стоит обратить особое внимание на энергопотребление при покупке лампового усилителя, мощной печки, работающей в классе А, или усилителя, производитель которого заявляет необычайно высокую выходную мощность, но подозрительно низкое потребление энергии из электрической розетки.

Термины, связанные с построением модели

Класс усилителя

Одним из основных понятий, связанных с усилителем, является класс его работы. Что такое усилители и как понять в каком классе они работают? В аудиоаппаратуре мы чаще всего встречаем классы A, AB и D, гораздо реже — классы B, C и другие, такие как G и H. Каков же все-таки класс работы усилителя? Проще всего сказать, что это определенный режим, в котором мы используем наши усилительные элементы — лампы или транзисторы.

В профессиональной терминологии класс работы усилителя определяется тем, сколько сигнала — в виде синусоиды — проводит один усилительный элемент. Другими словами — сколько обязанностей мы на него возлагаем. Различия между классами работы заключаются в основном в достижимой мощности, а также в величине генерируемых искажений.

В усилителе класса А каждый транзистор или лампа получает полную синусоиду, в классе В — ровно половину этой волны, в классе АВ мы имеем чуть больше половины периода (что облегчает объединение сигналов от разных ламп или транзисторов), а в классе С каждый элемент получает еще меньше половины «всей работы», которую нужно выполнить.

Усилители класса D — это еще одна технология, в которой мы больше не говорим о типичной аналоговой синусоиде. Этот вопрос настолько сложен, что мы обсудим его в отдельной статье.

Ток покоя

Класс усилителя, независимо от топологии его схемы (кроме класса D), определяется путем установки соответствующего значения тока покоя. Точнее, это определение рабочей точки на статической характеристике транзистора — так, чтобы он проводил соответствующую часть периода синусоиды. Что такое усилители и как определяется ток покоя выходных транзисторов?

Часто встречается указание угла проводимости, поскольку полный период синусоидальной волны составляет 360 градусов. Это относится и к электронным лампам. В некоторых ламповых усилителях ток покоя устанавливается пользователем с помощью специальных измерительных точек и подстроечных элементов, которые более удобны в использовании.

Однако многие производители используют системы автоматического регулирования тока покоя (автобии). В транзисторных усилителях регулировка тока покоя — это скорее одно из действий, которым должен заниматься профессиональный сервис.

Обратная связь

Решение, состоящее в добавлении некоторой части выходного сигнала к входному сигналу. Используя его в усилителе, можно получить лучшие параметры (стабильность усиления, линейность, форма частотной и временной характеристик), одновременно снижая общую чувствительность системы к изменениям рабочих параметров.

Однако обратная связь имеет свои недостатки. Он хорошо работает с синусоидальными сигналами, которые, очень редко встречаются в музыке. Сигнал, подаваемый обратно на вход, также вызывает задержки (чем длиннее путь сигнала и количество каскадов усиления), и поэтому в какой-то мере искажает исходный звук.

Глубокая обратная связь может увеличить содержание высших нечетных гармоник, к которым человеческий слух особенно чувствителен. Использование обратной связи напрямую влияет на звучание усилителя, поэтому многие аудиофилы предпочитают схемы без нее.

Что такое усилители? Push-Pull и Single-Ended

Довольно часто, особенно в ламповой технике, мы можем встретить термин Push-Pull, также известный как взаимная система. Проще говоря, это означает, что два усилительных элемента (например, лампы) складывают два сигнала, которые поступают на выходной трансформатор, один из которых инвертирован по фазе на 180 градусов.

Это позволяет значительно увеличить выходную мощность при одновременном снижении искажений. Однако при этом мы теряем часть звукового очарования однополярной конструкции. Такая топология чаще всего используется в ламповых конструкциях с одной силовой лампой в канале, а также в некоторых усилителях, работающих в классе А, таких как Aleph 3 Нельсона Пасса.

В этом случае сигнал не суммируется и не инвертируется по фазе ни в одной точке. Однополярные топологии характеризуются низкой выходной мощностью — если только каскад питания не состоит из нескольких параллельно соединенных элементов. В ламповых схемах такие схемы называются параллельно-односторонними.

Двойное моно

Этот термин используется для усилителей, построенных, насколько это возможно, в виде двух отдельных, зеркально отраженных модулей, обслуживающих левый и правый каналы. В интегральном усилителе мы имеем дело с идеальной двойной монофонической системой, когда единственной «общей» точкой для обоих каналов является потенциометр (хотя некоторые разработчики даже пошли настолько далеко, что громкость в таком усилителе регулируется двумя отдельными потенциометрами, с возможностью их механического соединения или разделения).

Тем не менее, все чаще этот термин применяется к моделям, в которых разделение двух каналов в некоторой степени упрощено, например, за счет использования общего трансформатора. Что это дает? Прежде всего, независимая работа каждого канала, меньше помех и наводок, а на практике — лучшее звучание, с особым акцентом на стереофонию.

Как распознать двойной монофонический усилитель? Чаще всего это видно снаружи, например, по симметрично расположенным разъемам или вентиляционным отверстиям. Но лучше всего заглянуть внутрь. Если схема имеет идеально зеркальную архитектуру, то, вероятно, мы имеем дело с двойной монофонической конструкцией.

Что такое усилители? Как использовать все это?

Существует множество терминов, связанных с усилителями, типами их конструкции и параметрами, которые можно сравнивать. Однако основной вопрос остается открытым — как все эти цифры воплотятся в звук и на какие пункты следует обратить особое внимание? Ну, это в основном зависит от наших потребностей и оборудования, которым мы уже владеем.

Например, если у нас есть колонки, которыми трудно управлять, нам следует искать усилитель высокой мощности с высоким коэффициентом демпфирования, желательно работающий в классе AB или D. Если мы хотим получить более теплый, более музыкальный звук, мы можем сделать ставку на ламповую или гибридную модель, или транзистор, работающий в чистом классе А, без глубокой обратной связи.

Конечно, это лишь примеры, показывающие, что мы должны рассматривать определенные характеристики и параметры нашего усилителя с точки зрения эффекта, которого мы хотим достичь. Найти или создать по одному усилителю в каждой категории, практически нереально. Однако стоит знать некоторые термины и понимать, что они означают (или что они могут означать на практике), чтобы сделать свой выбор осознанно и не поддаваться на ловкие уловки маркетологов.