Усилители звука: описание, виды

Усилитель звука – электротехнический прибор, обеспечивающий повышение уровня сигнала от источника до уровня, приемлемого для акустической системы. Усилитель – совершенно необходимый атрибут для любого звукового комплекта. Для различных типов акустических систем и устройств обработки звука используются различные виды исполнения усилителей, различные мощности и просто принципиально разные электрические схемы.

Сфера применения

Устройства предназначаются для усиления до требуемого уровня сигналов, при помощи которых передается информация с применением звука. Они активно используются в:

  • Вычислительной и бытовой технике (сюда входят телевизоры, ресиверы, радио, аудиоцентры и т. д.).
  • Устройствах дефектоскопии.
  • Измерительном оборудовании.
  • Устройствах связи и ретрансляции информации при помощи звука.

Основные параметры усилителей

Мощность

Для оценки возможной громкости воспроизведения косвенно подходит мощность усилителя. Косвенно, потому, что сам усилитель никакого звука, естественно, не производит и всё зависит от чувствительности колонок, их сопротивления и стойкости к перегрузкам. И искажений в получаемый звук усилитель, по сравнению с акустикой, привносит не так уж и много. Но, в звуке мелочей не бывает.

С мощностью, как и в акустических системах, естественно – путаница. Скоро, очевидно, придётся вводить дополнительно мощность коммерческую и чувствительность кармана в рублях на ватты.

Номинальная мощность – максимальная электрическая мощность, потребляя которую, усилитель поддержит заявленные производителем параметры в течение всего срока службы. Такая формулировка, вообще говоря, является общепринятой для любой аппаратуры.

DIN POWER (это немецкий стандарт, IEJA – японский аналог) – максимальная электрическая мощность, развиваемая усилителем с нагрузкой сигналом 1 кГц, замеряемая в течение 10 минут с ограничением нелинейных (THD) искажений 1%. По методике INF искажения не должны превышать 0.1%. Это наиболее вменяемые характеристики мощности, и само их указание говорит о реальном качестве прибора. DIN POWER примерно соответствует указываемой в России предельной синусоидальной мощности.

RMS (Root Mean Squared) – максимальная электрическая мощность при нелинейных искажениях до 10%. Следует обратить внимание на то, что учитываются усреднённые величины искажений, тогда как корректность работы акустики сомнительна именно на пиках, на них же горят усилители. Не слишком информативная характеристика. Может на 20…40% превышать DIN POWER.

PMPO (Peak Music Power Output) – ‘это, вообще, нечто. По идее, PMPО подразумевает предельную для прибора максимальную мощность, которую тот выдерживает кратковременно. Методика испытаний – страшная тайна производителя: никем и ничем она не регламентирована. Качество прибора с указанием такого параметра – сомнительно.

Чувствительность

Чувствительность. За чувствительность принимают минимальный уровень входного сигнала (в милливольтах), обеспечивающий номинальную мощность усилителя на выходе (параметры выходной мощности, напряжения задаются производителем). Как правило, чувствительность усилителей колеблется в пределах 200…500 мВ. Под чувствительностью также могут иметь в виду напряжение, при котором уровень полезного сигнала превысит уровень шума. В этом случае отношение сигнал/шум (SNR,Signal to Noise Ratio) определяется как отношение уровня номинального сигнала к чувствительности (в децибелах). Нормальным можно считать отношение 70…80 дБ, хорошим – 80…90 дБ, профессиональные студийные усилители имеют выше 100 дБ. Соотношение сигнал/шум может быть взвешенным, то есть измеренным с учётом кривой чувствительности человеческого слуха. В этом случае рядом со значением параметра указывается «A-weighting» (измерения по сетке А).

Амплитудно-частотная характеристика

Одним из важнейших параметров усилителя является амплитудно-частотная характеристика. Она представляет из себя график зависимости уровня выходного сигнала усилителя от его частоты; при этом уровень входного сигнала остаётся фиксированным. Чем характеристика ровнее – тем качественнее усилитель. Однако невозможно избежать её провала на самых низких и самых высоких частотах.

Полоса пропускания – диапазон частот, внутри которого амплитудно-частотная характеристика достаточно равномерна для усиления сигнала без существенных искажений. Или же диапазон частот, где падение уровня сигнала не достигает определённой приемлемой величины. Диапазон воспринимаемых человеком частот считается равным 20 Гц…20 кГц. Однако, весьма для усилителя желательно перекрывать этот диапазон:

  • Человек воспринимает звук не только указанного диапазона, воспринимаются также различные колебания и вибрации окружающих предметов
  • Особенности восприятия у каждого человека индивидуальны
  • Высоки искажения при частотах близких к граничным. Расширение полосы пропускания делает их наименее заметными
  • Основным источником искажений звука в комплекте – громкоговорители. Добавляются искажения от средств коммутации и разделения звука. Все недостатки усилителя усилятся в звуке сами по себе (особенно на граничных частотах).

Динамический диапазон

Динамический диапазон определяется отношением (в дБ) уровня максимального входящего сигнала, при котором искажения выходных параметров не выходят за допустимые значения, и уровня собственного шума (чувствительности усилителя). Динамический диапазон характеризует качество усиления звука низкого и высокого уровней громкости. Чем диапазон шире – тем выше качество усилителя. Динамический диапазон различных моделей приборов может составить 1.6…140 дБ.

Рекомендуемое сопротивление нагрузки. Вот с чем шутить не стоит. Низкое, по сравнению с рекомендуемым, внешнее сопротивление грозит не просто увеличением искажений, но физическим повреждением и акустической системы, и усилителя. Повышенное, против рекомендуемого, сопротивление ничем, кроме неполной загрузки усилителя не грозит.

Скорость нарастания напряжения для качественного усилителя не должна быть меньше 1…2 В/мкс.

Входное сопротивление усилителя (для линейного входа). Чем входное сопротивление больше, тем меньшее влияние усилитель будет оказывать на источник сигнала, тем меньше будет искажений. Входное сопротивление никак не должно быть менее 10 кОм. В хороших усилителях сопротивление может быть порядка 100 кОм и выше.

Выходное сопротивление усилителя должно быть возможно меньше для более быстрого гашения (демпфирования) в громкоговорителях паразитных сигналов. В усилителях высокого класса выходное напряжение может составлять тысячные доли Ома. В различных моделях: 0.01…150 Ом.

Выходное сопротивление линейного выхода, используемого для подачи сигнала на другое устройство должно быть по возможности минимально. В противном случае возможно влияние нагрузки на усилитель с увеличением искажений. В качественных усилителях линейное внешнее сопротивление не превышает 1 кОм.

Типы усилителей

Усилители мощности звуковой частоты бывают разными в зависимости от используемых элементов для достижения необходимого результата.

  • Ламповые
  • Транзисторные
  • На интегральных схемах
  • Гибридные
  • Двухканальные/Стерео
  • Многоканальные

Давайте рассмотрим каждый из них и разберем их особенности.
По принципам работы компонентов усилители можно разделить на ламповые, полупроводниковые (транзисторные) и цифровые. Первые два класса относятся, естественно, к аналоговым. К тому же существуют разнообразные гибридные модели, в основном, на любителя.

Ламповые усилители. Споры между сторонниками лампового звука и приверженцами более современных технологий не утихают до сих пор. Возможно для домашнего использования лампы и хороши. Возможно, звук «теплее» из-за отличной от транзисторных усилителей структуры искажений. На дно тянут общие недостатки ламповой техники: низкая выходная мощность, низкий коэффициент демпфирования (из-за высокого выходного сопротивления), низкий коэффициент усиления, сильная зависимость от напряжения питания, долгий прогрев, небольшой срок службы ламп, высокие требования к акустической системе и т.д. Одним словом, для профессиональных занятий ламповые усилители малопригодны.

Транзисторный усилитель – электротехнический прибор, содержащий конденсаторы, резисторы, индуктивности для управления и транзисторы, как элементы усиления, для поднятия уровня слабого сигнала с источника до пригодного для преобразования в звук акустической системой. Состоит из усилительных каскадовпредварительного усиления и выходного, или оконечного.

Цифровой усилитель предназначен для обработки сигнала в цифровой форме. После усиления цифровой сигнал (в виде импульсов «есть/нет») преобразуется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) в аналоговую, пригодную для акустических систем, форму. При получении на вход аналогового сигнала, этот сигнал перед усилением должен быть обработан аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровую форму. Обработка звука обеспечивается цифровым сигнальным процессором (DSP, Digital Signal Processor). Достоинства цифрового усилителя:

  • Цифровая обработка (регулировка тембра, например) не ухудшает качества звука;
  • Возможна коррекция работы всей акустической системы (в зависимости от модели усилителя). Процессор может работать в качестве эквалайзера, иметь готовые настройки и создавать различные пространственные эффекты;
  • Очень высокий коэффициент демпфирования акустической системы;
  • Самый высокий из всех типов усилителей КПД, крайняя экономичность;
  • Небольшая температура при работе;
  • Высокая мощность.

Однако, применение цифровых усилителей, может быть, не всегда оправдано. Так, цифровая обработка аналогового сигнала с проигрывателя виниловых пластинок (LP-проигрывателя), безусловно, не ухудшит звук, но просто сделает его таким же точно, как с CD-проигрывателя. Многим не нравится. А с CD-проигрывателя усилитель может принять просто цифровой сигнал, без лишних преобразователей.

Классификация

По характеру использования условно можно разделить усилители на домашние, профессиональные и студийные. Ну и встроенные, конечно.

Домашние усилители. Область их применения ясна из названия. В основном, небольшой (до 300 Вт) мощности с запасом по отношению к акустике. Поскольку для обычного воспроизведения всякие эквалайзеры и кроссоверы особо не нужны, от усилителя требуются регуляторы тембра в широком диапазоне. По крайней мере высоких и низких частот.

Профессиональные усилители. От них требуется мощность, и это – прежде всего. Причём, с достаточным запасом для долговременной работы на грани предельных режимов. С соблюдением ограничений по искажениям, разумеется. Такие усилители производятся почти всегда в рэковом исполнении (для стандартной установки): ширина корпуса 18 дюймов (46 см) и высота, кратная 1.8 дюйма (4.6 см). Мощность важна ещё и для поддержания работы пассивных элементов разделения звука (кроссоверов, например). В таких приборах уже обязательна и защита от перегрузок, перегрева, короткого замыкания и т.д.

Студийные усилители отличаются, прежде всего, точностью работы. Никаких регуляторов тембра там не требуется: для этого существуют приборы управления звуком. Скорее важны хорошая полоса пропускания и широта динамического диапазона.

Профессиональные усилители (особенно студийные) часто не имеют встроенных блоков питания. Внешние, собранные в отдельном корпусе, минимизируют влияние электромагнитного излучения на уровень шума усилителя и облегчают охлаждение последних.

Встроенные усилители используются в активных акустических системах. В сочетании с активным кроссовером облегчают интеграцию колонок в звуковой комплект.

Классы усилителей

В зависимости от эффективности (коэффициента полезного действия, КПД) и уровня искажения выходного сигнала усилители звука подразделяются на классы:

  • Класс A. Отличаются небольшой (КПД около 20…30%) эффективностью и большим тепловыделением, но зато обладают близкой к линейной характеристикой сигнала и небольшими искажениями. Дороги, и применяются там, где нужно качество звука и не нужна большая мощность. Большой мощности их просто не делают из-за проблем с охлаждением. Представляет собой активный элемент (транзистор или лампу), открытый на весь период сигнала. Ламповые усилители класса А применяются в системах Hi-End
  • Класс B. Отличаются высоким (50…70%) КПД, но и довольно высоким коэффициентом нелинейных искажений. Используются для среднечастотных и мидбасовых динамиков, хотя в чистом виде достаточно редко из-за посредственного качества выходного сигнала. Конструктивно представляет собой два активных элемента, работающие в режиме отсечки
  • Класс AB. Совмещают достоинства и недостатки А и В классов. На низких мощностях работают в режиме класса А (с низким КПД), на более высоких – класса В (со средними искажениями). Широко используются в звуковом оборудовании
  • Класс C. Для звукового оборудования пригодны мало из-за больших переходных искажений сигнала. Используются в высокочастотной технике
  • Класс D. Усилители этого класса работают с цифровыми сигналами, поступающими на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. Входящий аналоговый сигнал преобразуется в импульсы различной длительности в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ, PWM), в этом случае обычно применяется отрицательная обратная связь по звуковому каналу. КПД таких усилителей может достигать 90% при минимальных искажениях
  • Класс Е. Работают полностью в ключевом режиме в отличие от усилителей класса D. Используются, в основном, в высокочастотной технике
  • Класс F. Усилители класса D с фильтром, объединённым с нагрузкой
  • Класс G. Применяются два значения напряжения питания выходного каскада с автоматическим переключением в зависимости от сигнала на входе
  • Класс Н. То же, что и класса G, но с плавным изменением значения питания
  • Класс Т. То же, что и класса D, но не с аналоговой, а с цифровой обратной связью в обход выходного фильтра.

Есть ещё одна немаловажная классификация усилителей: по их назначению. Профессиональный усилитель мощности рассчитан на долговременную работу в режиме максимальной громкости. Попытки аналогично использовать бытовой усилитель, скорее всего, закончатся плачевно – он просто сгорит. Даже если не сгорит, то звук всё равно будет чудовищного качества.

В качестве напоминания. Производители никогда не указывают настоящую номинальную мощность ни для каких приборов: для коммерческого использования она слишком мала. Оттуда и всякие RMS и PMPO. Коммерция.