Введение

Усилитель мощности звука с выходной мощностью, достаточной для работы с громкоговорителем.

Усилитель мощности звука (или усилитель мощности) усиливает маломощные электронные аудиосигналы, такие как сигнал от радиоприемника или звукоснимателя электрогитары, до уровня, достаточного для работы с громкоговорителями или наушниками. Усилители мощности звука используются во всех типах звуковых систем, включая системы усиления звука, системы оповещения, домашние аудиосистемы и усилители музыкальных инструментов, такие как гитарные усилители. Это заключительная электронная ступень в типичной цепочке воспроизведения звука перед отправкой сигнала на громкоговорители. Предыдущие ступени в такой цепочке – это маломощные аудиоусилители, выполняющие такие задачи, как предварительное усиление сигнала, эквализация и микширование различных входных сигналов. Входными сигналами могут быть любые источники звука, такие как проигрыватели виниловых пластинок, CD-плееры, цифровые аудиоплееры и кассетные магнитофоны. Большинству усилителей мощности требуются входные сигналы низкого уровня, известные как линейный уровень. В то время как входной сигнал для усилителя мощности звука, например, сигнал от электрогитары, может составлять всего несколько сотен микроватт, его выход может достигать нескольких ватт для небольших потребительских электронных устройств, таких как радиочасы, десятков или сотен ватт для домашней стереосистемы, нескольких тысяч ватт для звуковой системы ночного клуба или десятков тысяч ватт для крупной системы усиления звука на рок-концерте. Усилители мощности доступны как в виде отдельных устройств, обычно ориентированных на рынок аудиофилов (нишевый рынок) энтузиастов аудио и профессионалов в области звукоусиления, так и в составе многих потребительских аудиопродуктов, таких как интегральные усилители, ресиверы, радиочасы, переносные колонки и телевизоры, где предварительный усилитель и усилитель мощности объединены в одном корпусе.

История

Усилитель звука был изобретен около 1912 года Ли де Форестом. Это стало возможным благодаря его изобретению первого практического усиливающего электрического компонента – триодной вакуумной лампы (или "клапан" в британском английском) в 1907 году. Триод представлял собой устройство с тремя электродами, управляющей сеткой, которая может модулировать поток электронов от нити накала к аноду. Триодный вакуумный усилитель был использован для создания первого AM-радиоприемника. Ранние усилители мощности звука были основаны на вакуумных лампах, и некоторые из них достигли заметно высокого качества звука (например, усилитель Уильямсона 1947–49 годов). Усилители мощности звука на основе транзисторов стали практическими с широкой доступностью недорогих транзисторов в конце 1960-х годов. С 1970-х годов большинство современных звуковых усилителей основаны на твердотельных транзисторах, особенно на биполярных транзисторах (BJT) и полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Усилители на основе транзисторов легче, надежнее и требуют меньше обслуживания, чем ламповые усилители. MOSFET, изобретенный Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, был адаптирован для использования в мощных MOSFET для аудио Джун Ичи Нисизава в Университете Тохоку в 1974 году. Вскоре мощные MOSFET начали производиться компанией Yamaha для их Hi-Fi аудиоусилителей. JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba также начали производство усилителей с мощными MOSFET в 1974 году. Многие транзисторные усилители используют MOSFET-компоненты в своих выходных каскадах, поскольку их характеристика искажений больше напоминает ламповую. В 2010-х годах по-прежнему существуют аудиофилы, музыканты (особенно гитаристы, басисты, исполнители на органе Hammond и электропианино Fender Rhodes, среди прочих), звукорежиссеры и музыкальные продюсеры, которые предпочитают ламповые усилители и воспринимаемый как "более теплый" ламповый звук.

Параметры проектирования

Ключевыми параметрами конструкции усилителей мощности являются частотная характеристика, коэффициент усиления, шум и искажения. Они взаимосвязаны: увеличение коэффициента усиления часто приводит к нежелательному увеличению шума и искажений. Хотя отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления, она также уменьшает искажения. Большинство аудиоусилителей – это линейные усилители, работающие в классе AB. До 1970-х годов в большинстве усилителей использовались вакуумные лампы. В 1970-х годах ламповые усилители все чаще заменялись транзисторными, которые были легче, надежнее и требовали меньшего обслуживания. Тем не менее, ламповые предусилители по-прежнему продаются на нишевых рынках, например, среди любителей hi-fi, звукорежиссеров и музыкальных продюсеров (которые используют ламповые предусилители в студийных записях для "согревания" микрофонного сигнала), а также гитаристов, басистов и исполнителей на органе Hammond, среди которых меньшинство продолжает использовать ламповые предусилители, ламповые усилители мощности и ламповые эффекты. В то время как любители hi-fi и звукорежиссеры, работающие со звуком вживую или осуществляющие мониторинг треков в студии, обычно ищут усилители с минимальными искажениями, музыканты, играющие на электроинструментах в таких жанрах, как блюз, рок и хэви-метал, используют ламповые усилители, потому что им нравится естественный овердрайв, который они создают при сильной перегрузке. Усилитель класса D, который значительно эффективнее усилителей класса AB, сейчас широко используется в потребительской электронике, бас-усилителях и аппаратуре для усиления звука, поскольку усилители класса D намного легче и выделяют гораздо меньше тепла.

Фильтры и предварительные усилители

Поскольку современные цифровые устройства, такие как CD и DVD-плееры, радиоприемники и магнитофоны, уже выдают сигнал "линейного уровня", предварительный усилитель требуется лишь для регулировки громкости и выбора источника сигнала. Альтернативой отдельному предусилительному блоку является использование пассивных регуляторов громкости и переключателей, которые иногда встраиваются в усилитель мощности, образуя интегрированный усилитель.

Этапы выходной мощности

После предварительного усиления, финальной стадией усиления является выходная, где к транзисторам или лампам предъявляются самые высокие требования. Именно поэтому конструктивные решения, касающиеся выходного каскада (для однотактных выходных каскадов, например, в однотактных триодных усилителях) или каскадов (для двухтактных выходных каскадов), такие как класс режима работы выходных устройств, часто используются для описания всего усилителя мощности. Например, в усилителе класса B, вероятно, только выходные устройства большой мощности будут находиться в состоянии отсечки в течение половины каждого цикла, в то время как остальные устройства (например, дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и, возможно, даже драйверные транзисторы) будут работать в классе A. В выходном каскаде без трансформатора, устройства по сути включены последовательно с источником питания и выходной нагрузкой (например, динамиком), возможно, через большие конденсаторы и/или небольшие резисторы.

Дальнейшее развитие событий

В течение нескольких лет после появления твердотельных усилителей, их воспринимаемое звучание не достигало отличного качества звука лучших ламповых усилителей (см. ламповый звукоусилитель). Это привело аудиофилов к убеждению, что "ламповый звук" обладает присущим качеством, обусловленным самой технологией электронных ламп. В 1970 году Матти Отала опубликовал работу об источнике ранее не наблюдаемой формы искажений: переходные интермодуляционные искажения (TIM), которые позже другие исследователи также назвали искажениями, вызванными скоростью нарастания (SID). Было установлено, что искажения TIM возникают при очень быстрых изменениях выходного напряжения усилителя. Искажения TIM не проявлялись при измерениях стабильного синусоидального сигнала, что затрудняло их обнаружение инженерами-конструкторами до 1970 года. Проблемы, связанные с искажениями TIM, обусловлены ограниченной частотной характеристикой разомкнутого контура твердотельных усилителей. В последующих работах Отала и других авторов были найдены решения для устранения искажений TIM, включая увеличение скорости нарастания, уменьшение полосы пропускания предварительного усилителя и введение цепи компенсации фазового сдвига на входной каскад усилителя. В современных высококачественных усилителях частотная характеристика разомкнутого контура составляет не менее 20 кГц, что подавляет искажения TIM. Следующим шагом в совершенствовании конструкции стала теорема Баксандалла, разработанная Питером Баксандаллом в Англии. Эта теорема ввела концепцию сравнения отношения между входными и выходными искажениями усилителя. Эта новая идея помогла инженерам-конструкторам лучше оценивать процессы искажения внутри усилителя.

Приложения

Важными областями применения являются системы оповещения, системы усиления звука для театральных и концертных выступлений, а также бытовые системы, такие как стереосистемы или домашние кинотеатры. Усилители для музыкальных инструментов, включая гитарные и усилители для электроорганов, также используют усилители мощности. В некоторых случаях усилитель мощности для инструментального усилителя интегрирован в единый блок, называемый "голова" усилителя, который содержит предусилитель, регуляторы тона и электронные эффекты. Эти компоненты могут быть установлены в деревянный корпус динамика для создания "комбо-усилителя". Музыканты с особыми требованиями к звучанию и/или потребностью в очень мощном усилении могут создать индивидуальную систему, состоящую из отдельных рэковых предусилителей, эквалайзеров и усилителя мощности, установленных в дорожный кейс размером 19 дюймов. Усилители мощности доступны в виде отдельных устройств, которые используются энтузиастами высококачественного звука и разработчиками систем оповещения (PA-систем) и систем усиления звука. Пользователь усилителей мощности может использовать стереоусилитель для управления левым и правым динамиками и одноканальный (моно) усилитель для управления сабвуфером. Количество усилителей мощности, используемых в системе усиления звука, зависит от размера площадки. В небольшом кафе может быть один усилитель, подключенный к двум громкоговорителям. В ночном клубе может быть несколько усилителей мощности для основных динамиков, один или несколько усилителей для мониторных динамиков (направленных на сцену) и дополнительный усилитель для сабвуфера. На стадионе может быть установлено большое количество усилителей мощности в стойках. Большинство потребительской аудиотехники, такой как телевизоры, бумбоксы, домашние кинотеатры, электронные клавиатуры Casio и Yamaha, гитарные "комбо"-усилители и автомобильные стереосистемы, имеют усилители мощности, встроенные в корпус основного устройства.