Amplificatore audio è un termine generico usato per descrivere un circuito che produce e amplifica una versione del suo segnale di ingresso. Tuttavia, non tutte le tecnologie di conversione sono uguali in quanto sono classificate in base alle loro configurazioni e modalità di funzionamento.
Nell'elettronica, i piccoli amplificatori sono comunemente usati perché sono in grado di amplificare un segnale di ingresso relativamente piccolo, ad esempio da un sensore come un lettore musicale, in un segnale di uscita molto più grande per pilotare un relè, una lampada o un altoparlante, ecc.
Ci sono molte forme di circuiti elettronici classificati come amplificatori, dai trasduttori operazionali e di piccoli segnali ai grandi convertitori di impulsi e di potenza. La classificazione di un dispositivo dipende dalle dimensioni del segnale, grande o piccolo che sia, dalla sua configurazione fisica e da come viene elaborato il flusso di ingresso, ovvero dalla relazione tra il livello di ingresso e la corrente che scorre nel carico.
Anatomia del dispositivo
Gli amplificatori di frequenza audio possono essere visti come una semplice scatolao un blocco contenente un dispositivo, come un sensore bipolare, FET o operativo, che ha due terminali di ingresso e due terminali di uscita (la massa è comune). Inoltre, il segnale di uscita è molto più grande grazie alla sua conversione sul dispositivo.
Un amplificatore di segnale ideale avrà tre proprietà principali:
- Impedenza di ingresso, o (R IN).
- Resistenza di uscita o (R OUT).
- Guadagno, o (LA).
Non importa quanto sia complesso il circuito dell'amplificatore, un modello generale a blocchi può essere utilizzato per dimostrare la relazione di queste tre proprietà.
Concetti generali
Gli amplificatori audio di alta qualità possono variare nelle prestazioni. Ogni tipo ha una conversione digitale o analogica. I codici sono impostati per separarli.
La maggiore differenza tra i segnali di ingresso e di uscita è chiamata conversione. Il guadagno è una misura di quanto un amplificatore "trasforma" un segnale in ingresso. Ad esempio, se esiste un livello di ingresso di 1 volt e un livello di uscita di 50 volt, la conversione sarà 50. In altre parole, il segnale di ingresso è stato sviluppato 50 volte. Un amplificatore di frequenza audio fa proprio questo.
Il calcolo della conversione è semplicemente il rapporto tra l'output diviso per l'input. Questo sistema non ha unità come rapporto, ma in elettronica il simbolo A è comunemente usato per il guadagno. La conversione viene quindi calcolata semplicemente come "uscita divisa per ingresso".
Convertitori di potenza
Lente d'ingrandimento piccolaUn amplificatore di segnale viene comunemente chiamato amplificatore di "tensione" perché tende a convertire un piccolo ingresso in una tensione di uscita molto più grande. A volte è necessario un circuito del dispositivo per pilotare l'alimentazione di un motore o di un altoparlante e per questi tipi di applicazioni, dove sono coinvolte correnti di commutazione elevate, sono necessari convertitori di potenza.
Come suggerisce il nome, il compito principale di un amplificatore di potenza (noto anche come amplificatore di segnale di grandi dimensioni) è quello di fornire alimentazione a un carico. È il prodotto della tensione e della corrente applicate a un carico con una potenza di uscita maggiore del livello del segnale di ingresso. In altre parole, il convertitore aumenta la potenza dell' altoparlante, quindi questo tipo di circuito a blocchi viene utilizzato negli stadi esterni dei convertitori audio per pilotare gli altoparlanti.
Principio di funzionamento
L'amplificatore audio funziona secondo il principio di convertire l'alimentazione CC prelevata dall'alimentatore in un segnale di tensione CA fornito al carico. Sebbene la conversione sia elevata, l'efficienza dall'alimentazione CC al segnale di uscita della tensione CA è generalmente bassa.
Un blocco ideale conferisce al dispositivo un'efficienza del 100% o almeno la potenza IN sarà uguale alla potenza OUT.
Divisione di classe
Se gli utenti hanno mai esaminato le specifiche degli amplificatori di potenza audio, potrebbero aver notato classi di apparecchiature, solitamente indicate dalla lettera oDue. I tipi di blocco più comuni utilizzati oggi nell'audio domestico di consumo sono i valori A, A/B, D, G e H.
Queste classi non sono semplici sistemi di classificazione, ma descrizioni della topologia dell'amplificatore, ovvero come funzionano a livello di base. Sebbene ogni tipo di amplificatore abbia i propri punti di forza e di debolezza, le loro prestazioni (e il modo in cui vengono misurate le caratteristiche finali) rimangono le stesse.
Converte la forma d'onda inviata dalla pre-unità senza introdurre interferenze o almeno la minima distorsione possibile.
Classe A
Rispetto ad altre classi di amplificatori di potenza audio che verranno descritte di seguito, i modelli di Classe A sono dispositivi relativamente semplici. Il principio che definisce il funzionamento è che tutti i blocchi di uscita del trasduttore devono attraversare un ciclo di segnale completo a 360 gradi.
La Classe A può anche essere suddivisa in amplificatori single-ended e push-pull. Il push/pull differisce dalla spiegazione principale di cui sopra per l'utilizzo di dispositivi di output in coppia. Mentre entrambi i dispositivi eseguono un ciclo completo di 360 gradi, un dispositivo trasporterà la maggior parte del carico durante la parte positiva del ciclo, mentre l' altro trasporterà più del ciclo negativo.
Il vantaggio principale di questo circuito è la riduzione della distorsione rispetto ai modelli single-ended, poiché anche le fluttuazioni dell'ordine vengono eliminate. Inoltre, i modelli push-pull di Classe A sono meno sensibili al rumore.
A causa delle qualità positive associate alle prestazioni di Classe A, è considerato il gold standard per la qualità del suono in molte applicazioni acustiche. Tuttavia, questi progetti hanno un importante inconveniente: l'efficienza.
Requisito per gli amplificatori audio a transistor di Classe A per avere sempre tutti i dispositivi di uscita accesi. Questa azione porta ad una notevole perdita di energia, che alla fine viene convertita in calore. Ciò è ulteriormente aggravato dal fatto che i progetti di Classe A richiedono livelli relativamente elevati di corrente di riposo, che è la quantità di corrente che scorre attraverso i dispositivi di uscita quando l'amplificatore produce un'uscita zero. I tassi di efficienza nel mondo reale possono essere dell'ordine del 15-35%, con possibili cifre singole utilizzando materiale sorgente altamente dinamico.
Classe B
Mentre tutti i meccanismi di uscita in un amplificatore audio di classe A impiegano il 100% del tempo per funzionare, le unità di classe B utilizzano circuiti push-pull in modo tale che solo la metà dei dispositivi di uscita stia conducendo in qualsiasi momento.
Una metà copre la porzione di +180 gradi della forma d'onda mentre l' altra metà copre la sezione di -180 gradi. Di conseguenza, gli amplificatori di Classe B sono significativamente più efficienti dei loro omologhi di Classe A, con un massimo teorico del 78,5%. Data l'efficienza relativamente elevata, la Classe B è stata utilizzata in alcuni trasduttori PA professionali e in alcuni amplificatori valvolari domestici. Nonostante loropunto di forza evidente, le possibilità di acquisire un blocco di classe B per una casa sono praticamente nulle. Un esame dell'amplificatore audio ha mostrato la causa di ciò, nota come distorsione crossover.
Il problema con la latenza nella consegna tra i dispositivi che elaborano le parti positive e negative della forma d'onda è considerato significativo. Inutile dire che questa distorsione è udibile in quantità sufficiente, e mentre alcuni modelli di Classe B erano migliori di altri in questo senso, la Classe B ha ricevuto scarsi riconoscimenti dagli appassionati del suono pulito.
Classe A/B
L'amplificatore audio a valvole può essere trovato in molte sale da concerto. Ha prestazioni elevate e non si surriscalda. Inoltre, i modelli sono molto più economici di molti blocchi digitali. Ma ci sono anche deviazioni. Tale modulo potrebbe non funzionare con tutti i formati audio. Pertanto, è meglio utilizzare l'apparecchiatura come parte di un complesso generale di elaborazione del segnale.
La classe A/B combina il meglio di ogni tipo di dispositivo per creare un'unità senza gli svantaggi di nessuno dei due. Con questa combinazione di vantaggi, gli amplificatori di classe A/B dominano ampiamente il mercato consumer.
La soluzione è in re altà abbastanza semplice nel concetto. Laddove la classe B utilizza un dispositivo push-pull con ciascuna metà dello stadio di uscita che conduce a 180 gradi, i meccanismi di classe A/B lo aumentano a ~181-200 gradi. Quindi, c'èmolto meno probabile che abbia uno "strappo" nel loop, e quindi la distorsione del crossover scende al punto in cui non ha importanza.
Gli amplificatori di potenza audio a valvole possono assorbire questa interferenza molto più velocemente. Grazie a questa proprietà, il suono esce dal dispositivo molto più pulito. Modelli con queste caratteristiche sono spesso usati per trasformare il suono di chitarre acustiche ed elettriche.
Basta dire che la Classe A/B mantiene le sue promesse, superando facilmente i costrutti di Classe A puri con prestazioni di circa il 50-70% nel mondo reale. I livelli effettivi, ovviamente, dipendono dall'offset dell'amplificatore, dal materiale del programma e da altri fattori. Vale anche la pena notare che alcuni modelli di Classe A/B fanno un ulteriore passo avanti nella loro ricerca per eliminare la distorsione del crossover operando in modalità Classe A pura fino a pochi watt di potenza. Questo dà una certa efficienza ai bassi livelli, ma assicura che l'amplificatore non si trasformi in una fornace quando viene applicata una grande quantità di potenza.
Classi G e H
Un altro paio di design progettati per migliorare l'efficienza. Da un punto di vista tecnico, né gli amplificatori in classe G né in classe H sono ufficialmente riconosciuti. Si tratta invece di variazioni sul tema della Classe A/B che utilizzano rispettivamente la commutazione della tensione del bus e la modulazione del bus. In ogni caso, in condizioni di bassa richiesta, il sistema utilizza una tensione bus inferiore rispetto a un amplificatore di classe A/B simile, che significativamenteriduce il consumo di energia. Quando si verificano condizioni di alta potenza, il sistema aumenta dinamicamente la tensione del bus (cioè passa al bus ad alta tensione) per gestire transitori di ampiezza elevata.
Ci sono anche dei difetti. Il principale tra loro è il costo elevato. I circuiti di commutazione di rete originali utilizzavano transistor bipolari per controllare i flussi di uscita, aggiungendo complessità e costi. Gli amplificatori di frequenza audio a valvole di alta qualità di questo tipo sono comuni, sebbene il prezzo inizi da 50 mila rubli. Il blocco è considerato una tecnica professionale per lavorare sul palco o per registrare in studio. Ci sono problemi con i transistor. Sotto carico prolungato, alcuni di essi potrebbero non funzionare.
Oggi, il prezzo viene spesso ridotto in una certa misura utilizzando MOSFET ad alta corrente per selezionare o modificare le guide. L'uso dei MOSFET non solo migliora l'efficienza e riduce il calore, ma richiede anche un minor numero di parti (in genere un dispositivo per thread). Oltre al costo della commutazione del bus, alla modulazione stessa, vale anche la pena notare che alcuni amplificatori di classe G utilizzano più dispositivi di uscita rispetto a un tipico design di classe A/B.
Una coppia di dispositivi funzionerà nella tipica modalità A/B, alimentata dalle sbarre di bassa tensione. Nel frattempo, l' altro è in standby per fungere da booster di tensione, attivato solo a seconda della situazione. Resistono a carichi elevati solo delle classi G e H,associato a potenti amplificatori, dove la maggiore efficienza ripaga. I design compatti possono anche utilizzare topologie di classe G/H anziché A/B, dato che la possibilità di passare alla modalità a basso consumo significa che possono farla franca con un dissipatore di calore leggermente più piccolo.
Classe RE
Questo tipo di dispositivo ti consente di creare i tuoi sistemi modulari. Con l'aiuto dell'attrezzatura, avviene un'elaborazione di alta qualità dell'intero flusso in uscita. La progettazione di amplificatori di potenza a frequenza audio consente di creare il proprio sistema multimediale per il lavoro o l'intrattenimento. Tuttavia, ci sono alcune sfumature qui. Spesso erroneamente definiti amplificazione digitale, i convertitori di classe D sono una garanzia di efficienza dell'unità e ottengono guadagni superiori al 90% nei test effettivi.
Prima di tutto vale la pena considerare perché questa è di classe D se "amplificazione digitale" non è corretta. Era solo la lettera successiva dell'alfabeto, con la classe C usata nei sistemi audio. Ancora più importante, come è possibile ottenere un'efficienza superiore al 90%. Mentre tutte le classi di amplificatori menzionate in precedenza hanno uno o più dispositivi di uscita che sono costantemente attivi anche quando il convertitore è effettivamente in modalità standby, le unità di classe D li spengono e si riaccendono rapidamente. Questo è abbastanza comodo e permette di usare il modulo solo nei momenti giusti.
Ad esempio, il calcolo degli amplificatori audio in classe T, che sonoL'implementazione di classe D di Tripath, a differenza del dispositivo di base, utilizza frequenze di commutazione dell'ordine di 50 MHz. I dispositivi di uscita sono generalmente controllati dalla modulazione dell'ampiezza dell'impulso. Questo è quando onde quadre di larghezza diversa vengono generate da un modulatore che presenta un segnale analogico per la riproduzione. Con un controllo rigoroso dei dispositivi di output in questo modo, è teoricamente possibile un'efficienza del 100% (anche se ovviamente non è raggiungibile nel mondo reale).
Scavando nel mondo degli amplificatori audio di classe D, puoi anche trovare menzione di moduli controllati analogici e digitali. Questi blocchi di controllo hanno un segnale di ingresso analogico e un sistema di controllo analogico, di solito con un certo grado di correzione dell'errore di feedback. D' altra parte, gli amplificatori di classe D di conversione digitale utilizzano il controllo digitale, che commuta lo stadio di potenza senza controllo degli errori. Anche questa decisione trova approvazione, secondo le recensioni di molti acquirenti. Tuttavia, qui il segmento di prezzo è molto più alto.
La ricerca sugli amplificatori audio ha dimostrato che la classe D pilotata dall'analogico ha un vantaggio in termini di prestazioni rispetto all'analogico digitale, poiché in genere offre un'impedenza di uscita (resistenza) inferiore e un profilo di distorsione migliorato. Ciò aumenta i valori iniziali del sistema al massimo carico.
I parametri degli amplificatori di frequenza audio sono molto superiori a quelli dei modelli base. Dovrebbe essere chiaro che tali calcoli sono richiesti solo per creare musica in studio. Per gli acquirenti ordinari, questile caratteristiche possono essere s altate.
Di solito un circuito a L (induttore e condensatore) posizionato tra l'amplificatore e gli altoparlanti per ridurre il rumore associato al funzionamento in classe D. Il filtro è di grande importanza. Un design scadente può compromettere l'efficienza, l'affidabilità e la qualità del suono. Inoltre, il feedback dopo il filtro di uscita ha i suoi vantaggi. Sebbene i progetti che non utilizzano il feedback in questa fase possano sintonizzare la loro risposta su un'impedenza specifica, quando tali amplificatori hanno un carico complesso (cioè un altoparlante anziché un resistore), la risposta in frequenza può variare in modo significativo a seconda del carico sull' altoparlante. Il feedback stabilizza questo problema fornendo una risposta regolare a carichi complessi.
Alla fine, la complessità degli amplificatori audio in Classe D ha i suoi vantaggi. Efficienza e, di conseguenza, minor peso. Poiché viene spesa relativamente poca energia per il calore, è necessaria molta meno energia. Pertanto, molti amplificatori di classe D vengono utilizzati in combinazione con alimentatori a modalità commutata (SMPS). Come lo stadio di uscita, l'alimentatore stesso può essere acceso e spento rapidamente per regolare la tensione, con conseguente ulteriore aumento dell'efficienza e la capacità di ridurre il peso rispetto ai tradizionali alimentatori analogici/lineari.
In totale, anche i potenti amplificatori in classe D possono pesare solo pochi chilogrammi. Lo svantaggio degli alimentatori SMPS rispetto agli alimentatori lineari tradizionali èche i primi di solito non hanno molto margine di manovra.
Test e numerosi test di amplificatori audio in classe D con alimentatori lineari rispetto ai moduli SMPS hanno dimostrato che è proprio così. Quando due amplificatori gestivano la potenza nominale, ma uno con un'alimentazione lineare poteva produrre livelli di potenza dinamica più elevati. Tuttavia, i design SMPS stanno diventando sempre più comuni e puoi aspettarti di vedere unità di Classe D di nuova generazione migliori che utilizzano forme simili nei negozi.
Confronto dell'efficienza delle classi AB e D
Sebbene l'efficienza di un amplificatore di potenza audio transistorizzato di Classe A/B aumenti con l'avvicinarsi della massima potenza di uscita, i modelli di Classe D mantengono un'elevata efficienza nella maggior parte delle gamme operative. Di conseguenza, l'efficienza e la qualità del suono tendono sempre più verso l'ultimo blocco.
Usa un trasduttore
Se implementato correttamente, uno qualsiasi dei blocchi di cui sopra al di fuori della classe B può costituire la base di un amplificatore ad alta fedeltà. A parte le potenziali insidie in termini di prestazioni (che sono principalmente una decisione di progettazione piuttosto che una specifica classe), la selezione del tipo di blocco è in gran parte una questione di costi rispetto all'efficienza.
Nel mercato di oggi, il semplice amplificatore audio di Classe A/B domina, e per una buona ragione. Funziona molto bene, è relativamente economico e il suol'efficienza è abbastanza adeguata per le applicazioni a bassa potenza (>200W). Naturalmente, mentre i produttori di convertitori cercano di spingere i limiti, ad esempio con il monoblocco Emotiva XPR-1 da 1000 W, si stanno rivolgendo a progetti di classe G/H e D per evitare di duplicare i loro amplificatori come sistemi in grado di riscaldare rapidamente le apparecchiature. Nel frattempo, dall' altra parte del mercato, ci sono fan di classe A che possono perdonare la scarsa efficienza del dispositivo nella speranza di un suono più pulito.
Risultato
Dopotutto, le classi di conversione non sono necessariamente così importanti. Ovviamente ci sono delle differenze effettive, soprattutto per quanto riguarda i costi, l'efficienza dell'amplificatore e quindi il peso. Ovviamente, gli apparecchi di classe A da 500 W sono una cattiva idea, a meno che, ovviamente, l'utente non disponga di un potente sistema di raffreddamento. D' altra parte, le differenze tra le classi non determinano la qualità del suono. Alla fine, si tratta di sviluppare e implementare i propri progetti. È importante capire che i trasduttori sono solo un dispositivo che fa parte del sistema audio.
