Zaloguj się
Wszystkie
30 maja 2022
10660
Co to jest wzmacniacz audio?
Zadaniem tego układu elektronicznego jest prawidłowe wysterowanie głośnika, czyli dostarczenie do niego odpowiedniej mocy. Na wejście wzmacniacza trafia sygnał o bardzo małej amplitudzie, ze źródła o niewielkiej wydajności prądowej. Zatem wzmacniacz akustyczny powoduje wzrost mocy - ponieważ zwiększa zarówno amplitudę sygnału, jak i wydajność prądową.
Głośnik ma impedancję rzędu kilku omów, a źródło sygnału (wyjście odtwarzacza czy karty dźwiękowej) może mieć wiele, wiele większą. Bezpośrednie podłączenie głośnika mogłoby spowodować jego uszkodzenie, a w najlepszym wypadku nie usłyszymy nic. Może też być słyszalne ciche brzęczenie w takt muzyki, ale z komfortowym słuchaniem nie ma to wiele wspólnego. Wzmacniacz dokonuje “przetłumaczenia” sygnału z wejścia na taki, który będzie “zrozumiały” dla głośnika.
Czego oczekujemy?
Każdy tłumacz, nawet najlepszy, niekiedy popełnia błędy. Tak samo jest ze wzmacniaczami: wprowadzają do sygnału zniekształcenia oraz uwypuklają lub tłumią niektóre jego składowe. Nie chcemy tego, dlatego pożądana jest minimalizacja tego typu “dodatków”. Najlepiej, aby sygnał wyjściowy w 100% odpowiadał temu, który jest na wejściu.
Ale to dosyć idylliczne podejście. Im lepsza wierność odtwarzania, tym gorsza będzie sprawność układu. Mówiąc bardziej obrazowo, więcej mocy pobranej z zasilacza zostanie przetworzona na ciepło i wydalona do atmosfery, a mniej trafi do głośnika. Wzmacniacze o bardzo niskich zniekształceniach mają zazwyczaj również niską sprawność, przez co pożerają bardzo dużo energii.
Jest pewien kompromis w postaci tzw. wzmacniaczy cyfrowych, które mają wysoką sprawność i mogą przy tym uzyskać niskie zniekształcenia. Jednak nie ma nic za darmo - aby miały naprawdę wysoką jakość reprodukcji dźwięku, muszą być zbudowane z komponentów wysokiej jakości, które są drogie.
Jakie są przyczyny powstawania zniekształceń?
Najpoważniejszą przeszkodą jest kształt charakterystyki przejściowej elementów elektronicznych, zarówno tranzystorów, jak i lamp. Nie jest ona linią prostą, lecz ma przebieg wykładniczy lub zbliżony do niego.
Podanie sygnału “wprost” spowoduje, że część nie zostałaby wzmocniona w ogóle, a część byłaby wzmocniona aż za bardzo, wręcz przesterowana. Z głośnika wydobyłby się niezrozumiały charkot, a nie dźwięk. Dlatego układy wzmacniaczy muszą być zaprojektowane, aby to uwzględniać.
Podział wzmacniaczy
Do wzmacniania dźwięku używa się wzmacniaczy działających w różnych tzw. klasach pracy. Część z nich jest przeznaczona do układów analogowych, a część bazuje na przetworzeniu sygnału do postaci cyfrowej - choć nieco inaczej, niż by to wynikało z nazwy.
Wzmacniacze analogowe
Podstawowy schemat wzmacniacza analogowego może wyglądać tak, jak na poniższym rysunku. Dwa tranzystory mocy pracują w układzie wtórnika komplementarnego i powodują wysterowanie głośnika prądem o odpowiednim natężeniu - realizują wzmocnienie prądu. Z kolei przedwzmacniacz (może nim być np. wzmacniacz operacyjny) zwiększa amplitudę napięcia, czyli realizuje wzmocnienie napięciowe.
Dodatkowo, dzięki sprzężeniu zwrotnemu pomiędzy wyjściem a wejściem, zmniejsza zniekształcenia oraz utrzymuje zerową wartość napięcia stałego na wyjściu.
W ten sposób mogą wyglądać wzmacniacze audio pracujące w klasie A, B oraz AB. Różnią się ustawieniem spoczynkowego punktu pracy, o czym dalej. W stopniu mocy mogą pracować tranzystory bipolarne i unipolarne.
Klasa A
Wzmacniacze pracujące w tej klasie charakteryzują się tym, że prąd cały czas płynie przez tranzystory wyjściowe, a jego wartość średnia nie ulega zmianie. Mówiąc inaczej, cały czas pobierają z zasilacza prąd o znacznym natężeniu - tranzystory wtórnika komplementarnego stanowią “zwarcie” między liniami zasilania. Od konstruktora wzmacniacza zależy, jakie ma być jego natężenie, ponieważ może to ustawić regulatorem prądu spoczynkowego.
W tej klasie pracy ustawia się te prądy spoczynkowe tak, aby zmiany prądu tranzystorów, wywołane zmieniającym się poziomem sygnału, znajdowały się na możliwie liniowym odcinku charakterystyki.
Niestety, położenie tego punktu tak wysoko powoduje, że w tranzystorach wydziela się dużo mocy, a tylko niewielka jej część trafia do głośnika. Za to wierność reprodukcji jest bardzo wysoka, ponieważ zniekształcenia są niskie.
Klasa B
Wyjściem z tej sytuacji jest ustawienie punktu pracy w takim obszarze, kiedy tranzystory dopiero zaczynają przewodzić. Wtedy nie płynie przez nie prąd spoczynkowy, ale sygnał wejściowy jest przetwarzany przez całą, zakrzywioną charakterystykę.
Sygnał jest bardzo zniekształcony, więc jego jakość uległa znacznemu pogorszeniu. Potrzebny jest kompromis.
Klasa AB
W tej klasie pracuje zdecydowana większość analogowych wzmacniaczy audio. Punkt pracy ustawiono tak, że tranzystory wyjściowe przewodzą cały czas, ale prąd o niewielkim natężeniu. Wtedy nie pracujemy na dolnej części charakterystyki, która jest najbardziej zakrzywiona.
Im niższy prąd spoczynkowy, tym wzmacniacz pracuje bliżej klasy B, a wyższy oznacza pracę bliższą klasie A. Niemal wszystkie scalone wzmacniacze mocy, jak TDA7294 czy LM3886, pracują w klasie AB.
Wzmacniacze cyfrowe
Analogowy sygnał wejściowy jest przetwarzany na sygnał cyfrowy, a dokładniej - na sygnał prostokątny o zmiennym wypełnieniu, czyli PWM. Realizuje to komparator, który na bieżąco porównuje aktualną wartość sygnału analogowego z sygnałem trójkątnym. Ten drugi jest generowany wewnątrz wzmacniacza.
Stopień wyjściowy klasy D to tranzystory, najczęściej MOSFET, które wzmacniają wytworzony sygnał PWM. Ich praca jest tutaj silnie nieliniowa, ponieważ się załączają lub wyłączają, nie pracują w ogóle w obszarze liniowym.
Ostatni stopień, czyli filtr dolnoprzepustowy (FDP) usuwa z sygnału składowe harmoniczne, tworząc z niego na powrót sygnał pierwotny - tyle, że jego moc jest zdecydowanie wyższa. Najczęściej jest zbudowany z cewek i kondensatorów (filtr typu LC), aby wprowadzał jak najmniejsze straty mocy, mniejsze niż filtr RC.
Klasa D
W tej topologii są zbudowane wzmacniacze pracujące we wspomnianej już klasie D. Nie podchodzi ono od słowa Digital, czyli cyfrowy, po prostu taka wypadła kolejna litera alfabetu. Wzmacniacze w klasie C są stosowane w zasadzie tylko do nadajników radiowych, dlatego nie zostały tu omówione.
Wzmacniacze pracujące w klasie D mają bardzo wysoką sprawność i mogą mieć też wysoką jakość, o ile są dobrze zaprojektowane i zbudowane. W ten sposób pracują zarówno potężne wzmacniacze estradowe, jak i niewielkie wzmacniacze, pracujące w popularnym sprzęcie RTV, na przykład w telewizorach.
Nawet telefony komórkowe są wyposażone we wzmacniacze klasy D, ponieważ można je wykonać (poza filtrem wyjściowym) w jednym układzie scalonym, co czyni je kompaktowymi.
Podsumowanie
Najpopularniejsze wzmacniacze audio pracują w jednej z czterech klas pracy A, B, AB lub D. Każda z nich ma swoje wady i zalety oraz daje inne możliwości. Na przykład wykonanie wzmacniacza bardzo dużej mocy w klasie A byłoby wręcz niewykonalne ze względu na olbrzymie straty mocy. Dlatego w wielu kwestiach trzeba pójść na kompromis.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
