Усилители мощности класса T

Ранее вы уже читали обзор интересного и достаточно качественного цифрового мини усилителя на чипе TA2020 .

НОВАЯ БУКВА В АЛФАВИТЕ

ta2020

Борьба за экономичность усилителей и качество звучания до недавнего времени шла по двум направлениям. Аналоговые усилители обеспечивали улучшение качества звучания одновременно со снижением экономичности, цифровые — высокий КПД при невысоком качестве сигнала. Одновременно решить эти проблемы можно при совместном использовании цифровых и аналоговых методов обработки сигнала, и многолетние разработки увенчались успехом. Судя по материалам компании Tripath Technology, в созданных ей усилителях класса T высокая экономичность сочетается с аудиофильским качеством звучания.



Журнал уже писал об основных классах усилителей звуковых частот. Экономичным усилителям класса B свойственны значительные искажения сигнала малого уровня («первый ватт»), аудиофильские усилители класса A невероятно прожорливы. Компромиссные решения класса AB не решают полностью ни одну из проблем.



Класс усилителяТеоретический КПДРеальный КПДМинимум искажений наступает:
A50%15…30%при малой мощности
ABзависит от режима40…50%при средней мощности
B78%50…60%при средней мощности


В лучшем случае только половина мощности, потребляемой усилителем, поступает в нагрузку. Остальная нагревает транзисторы выходного каскада. Для повышения экономичности аналоговых усилителей было предложено немало технических решений, которые можно свести в три группы:

  • параллельная работа на общую нагрузку маломощного каскада класса A и мощного класса B (класс Super A)

  • работа на общую нагрузку каскадов с различным напряжением питания (класс G)

  • управление напряжением питания выходного каскада (класс H).

Однако сложность конструкции не оправдывала экономии и усилители этих типов не получили распространения даже в домашней технике. В автомобильной же положение еще усугубляется:

  • низкое напряжение питания увеличивает потери в выходном каскаде встроенных усилителей головных аппаратов

  • блоки питания внешних усилителей влияют практически на все его характеристики, особенно при невысокой частоте преобразования (характерно для бюджетных моделей).

Усилители класса D — достижение конструкторской мысли «цифровой» эпохи. Их главная особенность — использование вместо усиления широтно-импульсной модуляции (ШИМ, она же PWM — pulse width modulation). В отличие от аналоговых усилителей, где выходной сигнал представляет собой «увеличенную» копию входного, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность («ширина») изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.


Основное достоинство усилителей этого класса — высокий кпд (в лучших образцах — до 95%). Это объясняется тем, что амплитуда импульсов практически равна напряжению питания и потери мощности на выходных транзисторах минимальны. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность — с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.



Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.


Практическое применение находят более простые по конструкции усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляются основной недостаток метода — зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при передаче сигналов малого уровня. Создание высококачественного широкополосного усилителя класса D требует значительного усложнения конструкции. Поэтому в автомобильных аудиосистемах такие усилители пока применяют только в сабвуферах — в этом случае вполне допустим уровень нелинейных искажений до нескольких процентов.



В усилителях класса T качество звучания повышено на порядок при сохранении высокой экономичности. Это особенно актуально при создании усилителей мощности головных аппаратов. Tripath Technology выпускает интегральные усилители мощностью 10 и 20 Вт для портативной аудиотехники и головных аппаратов, а также микросхемы для создания усилителей более высокой мощности — до 300 Вт.


На графиках видно, что усилители класса T по своим показателям не уступают лучшим образцам аналоговых усилителей. Уровень искажений минимален, а в спектре выходного сигнала практически отсутствуют высшие гармоники. В результате воспроизведение музыкального сигнала становится более естественным.


Главная отличие новых усилителей и от аналоговых, и от традиционных цифровых — низкий уровень интермодуляционных искажений, меньший, чем коэффициент гармоник. Для усилителей класса AB, например, коэффициент интермодуляционных искажений значительно (иногда в несколько десятков раз) превосходит коэффициент гармоник; для усилителей класса A эти величины одного порядка. Интегральные усилители по этому показателю несколько уступают своим «большим» собратьям класса T, но традиционные микросхемы вообще не выдерживают конкуренции. Поэтому не вызывает удивления тот факт, что на последней выставке в Лас-Вегасе было представлено большое количество магнитол и усилителей нового типа.



В чем же секрет метода? В использовании патентованной технологии Digital Power Processing (TM). В материалах фирмы этой технологии посвящено немало текста, но полезной информации там, по понятным причинам, совсем немного. В тайне содержатся не только детали, но и сам принцип обработки сигнала. Если отбросить риторику, то все сводится к двум взаимосвязанным процессам — «предсказанию»(Predictive processing) и «адаптивному преобразованию» (Adaptive Signal Conditioning Processing)



Попробуем разобраться, «как они тут крепют».


Предсказаниями с незапамятных времен занимаются жрецы и гадалки, причем с переменным успехом. В нашем случае узнать уровень звукового сигнала можно двумя способами:

  • Вычисление. Отслеживается скорость изменения сигнала (производная) и на основании этого рассчитывается значение сигнала в следующий момент времени. Реализовать можно как в аналоговом варианте, так и в цифровом. В звуковом процессоре можно использовать математические модели, построенные на статистических данных.

  • Измерение. Сигнал поступает на обработку через цифровую линию задержки, что позволяет заранее измерить его амплитуду. Требуется высокоточный АЦП.

Судя по тому, что динамический диапазон даже интегральных усилителей превышает 100 дБ, амплитуда сигнала именно вычисляется. Для чего же нужно ее знать? В усилителях класса T нет фиксированной частоты дискретизации — она непрерывно изменяется в полосе до 1,5 мГц в соответствии с алгоритмом «адаптивного преобразования». Исходными данными служит как раз амплитуда сигнала и скорость ее изменения. Повышение частоты дискретизации повышает качество звучания и позволяет упростить конструкцию выходного фильтра..



О сущности алгоритма обработки остается только гадать. Кроме перечисленного, адаптивное преобразование может включать в себя и внутреннюю отрицательную обратную связь — цифровую или аналоговую. Исходя из этого можно предположить, что в основу Digital Power Processing (TM) положена одна из разновидностей дельта — модуляции. От традиционной широтно-импульсной она отличается тем, что передается не абсолютная величина сигнала, а ее изменение относительно предыдущего состояния (отсюда и «дельта» в названии). Отрицательная обратная связь входит в него генетически, да и «предсказание» тоже имеет место быть…


Выпуском микросхем занимается непосредственно Tripath Technology. Производится значительное количество разнообразных компонентов, включая готовые усилительные модули. Все функции обработки сигнала сосредоточены в одной микросхеме с минимумом внешних компонентов. Усилители малой и средней мощности изготавливаются в интегральном исполнении. В усилителях большой мощности выходной каскад выполняется на дискретных компонентах. Выходной LC-фильтр во всех случаях монтируется отдельно.



И в качестве иллюстрации к сказанному — немного цифр:

Интегральные усилителиTA2020-020TA2022
Максимальная мощность на нагрузке 4 Ом при заданном Кг, %23 Вт (10%)100 Вт (1%)
Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=0,1%12 Вт90 Вт
Коэффициент гармоник0,03% (10 Вт)0,015% (70 Вт)
Интермодуляционные искажения0,18% (1 Вт)0,1% (25 Вт)
К.П.Д.81…88%87…92%
Напряжение питания+12…14,4 В+/-31 В


Драйверы (+ внешние транзисторы)TA0102ATA0103ATA0104A
Максимальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=1%170 Вт300 Вт750 Вт
Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=0,1%150 Вт250 Вт500 Вт
Интермодуляционные искажения0,03%0,03%0,02%
К.П.Д.88-90%90…92%85-90%
Напряжение питания+/-45 В+/-54 В+/-75 В

Автор: А.И.Шихатов 2002

Источник: «Мастер 12вольт» №33 (май-июнь 2001)

Лучший способ выразить благодарность автору - поделиться с друзьями!

0

1 comment for “Усилители мощности класса T

  1. Вернувшийся из Аудиоотпуска.
    14.01.2016 at 11:00 дп

    Кни-хороший инженерный показатель.Но не всё так просто,применительно к аудиоушам. )
    Вот лампа,с зашкаливающими гармониками,вызывает экстаз у определенной группы диафилов. ))
    —————
    И еще,производители дают кни в мануалах,а юзеры иногда потом удивленно говорят что им «невкусно»..почему?
    Тут бывает ларчик с другой стороны открывается-производитель заложил кни на своей питалке,а у пользователя источник питания оказался несколько другим с худшими параметрами.И в итоге он получает искажения условно 10% не на скажем виртуально 🙂 50вт заявленых производителем,а уже на 5вт…..Разница? Огромная! Что в итоге? В итоге недовольство выраженное в корректной форумной форме «меня продаваны наипали» 🙂

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *