Усилители класса D начали массово использоваться в Hi-Fi лет 30 (или даже больше) назад. И все это время их конструкция и параметры совершенствовались. Эволюция этой технологии постепенно привела к тому, что, качество звука усилителей данного класса стало как минимум не хуже конструкций более традиционного для Hi-Fi класса A/B - разумеется, если разработчики правильно применяют данную технологию. Что ж, давайте поближе познакомится с усилителями D-класса.
По порядку рассчитайся!
Начнем с того, что буква D в названии этих усилителей выбрана исключительно как следующая по алфавиту после A, В и C, которыми были обозначены классы усилителей по мере их разработки. Но, если различия между первыми тремя хотя и значительны, но в целом позволяют отнести их к одному общему виду с точки зрения схемотехники, то класс D – это совсем другой «зверь».
Как мы помним, в классах A, B, A/B и C выходные каскады усилителей имеют дело с непрерывным сигналом, и при их работе та или иная часть энергии от источника питания расходуется впустую (то есть в тепло). Как следствие — необходимость использования пассивных или активных устройств для охлаждения, а также блоков питания с избыточной мощностью. Что вполне логично приводит к увеличению размеров и веса таких усилителей. Кстати, именно из-за непрерывного режима работы усилители перечисленных классов обычно называют «линейными», и для их обозначения мы также для краткости воспользуемся этим термином.
При разработке усилителей класса D было решено придумать схему, в которой бы вся (ну или почти вся) энергия блока питания преобразовывалась в выходной сигнал, подаваемый на колонки. И этого удалось достичь, переведя усилитель из линейного режима работы в импульсный. На первом рисунке показана упрощенная схема усилителя класса D. В принципе, у этой схемы есть определенное сходство с двухтактными усилителями линейного класса, и даже использование на выходе так называемых полевых МОП-транзисторов не является чем-то необычным. Применение в усилителях класса D именно таких транзисторов является принципиально важным, так как только они обладают необходимым быстродействием для передачи импульсного сигнала. Оптимальный КПД такого усилителя был бы достигнут, если бы его выходные транзисторы могли переключаться мгновенно, то есть находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. В реальном мире таких транзисторов пока еще не существует, но даже эффективность типичного усилителя класса D почти в два раза превышает эффективность схемы A/B-класса — более 90 процентов против примерно 50-ти.
Модуляция по широте
Ключевым же (в прямом и переносном) смысле схемы усилителя класса D является компаратор. Компаратор — это электронный «кирпичик», который имеет два входа: назовем их входом A и входом B. Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение.
На рисунке 2 показано, что делает компаратор в усилителе класса D. На один вход (вход A) подается сигнал, который нужно усилить (линия синего цвета). На другой вход (вход B) поступают треугольные импульсы фиксированной частоты от специального задающего генератора (красная линия). В тот момент, когда уровень входного сигнала превышает уровень сигнала с генератора, выходной сигнал компаратора становится положительным. Когда входной сигнал оказывается ниже уровня «треугольника», выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна уровню сигнала в каждый момент (нижний график). Все просто, не правда ли? Теперь вы знаете, что такое широтно-импульсная модуляция или ШИМ — именно она чаще всего и используется в усилителях класса D.
Далее, выходной сигнал фильтруется для удаления помех и сглаживания формы, и подается на колонки, для работы которых он уже не будет ничем отличаться от получаемого с обычных линейных усилителей.
Чем чаще, тем лучше
Важно понимать, что чем выше частота импульсов задающего генератора, тем более детальным будет звучание усилителя. Например, если эта частота составит 300 кГц (что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты), то усилитель класса D уже можно отнести к Hi-Fi. Динамический диапазон его звука и отношение сигнал / шум также зависят от частоты задающего генератора - чем она выше, тем лучше. Однако недостатком увеличения этой частоты является то, что с ее ростом усилитель класса D будет становиться менее эффективным, то есть будет терять принципиальное преимущество перед линейными схемами.
Конструкция усилителя Pro-Ject MaiA – без компромиссов
Еще один момент заключается в том, что схема класса D – это все-таки не вечный двигатель и для того, чтобы развить высокую выходную мощность, такому усилителю нужен соответствующий блок питания. Да, его энергия будет использоваться гораздо более эффективно, чем в линейных усилителях, но тем не менее мощность блока питания усилителя класса D должна немного превышать показатель его выходной мощности. А с ростом частоты задающего генератора потребляемая усилителем класса D энергия также будет расти.
Ограничения класса D
Если бы класс D был идеальным, то такие усилители уже полностью захватили бы мир Hi-Fi. Но, как и у любой другой технологии, у класса D есть свои недостатки. Пожалуй, можно начать со значительного уровня помех, которые способны генерировать подобный усилитель. И «простым» экранированием его схемы задачу по их устранению не решить — излучателем помех является акустический кабель, если из выходного сигнала не полностью удалены импульсы, вносимые генератором. За удаление этих помех отвечает фильтр на выходе усилителя, и именно от правильности его расчета и исполнения зависит качество звучания усилителя класса D.
Вторая проблема класса D напрямую связана с первой. Выходной фильтр на выходе такого усилителя пассивный, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, а значит, рассчитан на подключения определенного сопротивления. А мы уже знаем, что сопротивление колонок, указанное в их паспортных данных — например, 8 Ом — является величиной непостоянной, меняющейся в зависимости от частоты сигнала. Это сопротивление (точнее, импеданс, а значит еще и импеданс и емкость) подключенных колонок значительно влияет на параметры фильтра, снижая его эффективность.
И, в-третьих, усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования нагрузки. Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (на самом деле все гораздо сложнее, но пока не будем погружаться в частности) Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диффузоров динамиков колонок. Хороший усилитель не просто двигает диффузор вперед и назад, а контролирует его перемещение по всей траектории. Для этого и необходим высокий коэффициент демпфирования.
Новый усилитель Pro-Ject Stereo Box DS2 удваивает выходную мощность при переходе с 8 на 4-Омную нагрузку
Нет предела совершенству
Совершенствование технологии усилителей класса D привело не только к улучшению их звучания, но и упрощению конструкции, в том числе и за счет появления ряда специализированных микросхем. Как и обычно в Hi-Fi, по-настоящему качественный усилитель класса D нельзя сделать дешевым, однако есть много устройств, где данная технология реализована буквально «за копейки». Фактически из преимуществ данной технологии в них остаются только значительная выходная мощность при миниатюрных размерах (и то в сочетании с не самой высокой надежностью), но о качестве звука там можно забыть. К сожалению, многие меломаны, услышав такие усилители, в дальнейшем считают подобное звучание характерным для всех моделей класса D. Но к счастью, на рынке есть компании, чьи D-усилители как минимум не уступают, а то и превосходят по качеству звука сравнимые по цене аппараты, выполненные по классическим линейным схемам, одновременно являясь более компактными и мощными. Как знать, может быть это и есть будущее Hi-Fi индустрии?
При подготовке публикации использовались материалы с сайта: https://www.soundonsound.com/techniques/what-class-d-amplification#top