Усилитель мощности звука
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2019 г. ) |
Усилитель мощности звука (или усилитель мощности ) усиливает малой мощности электронные аудиосигналы , такие как сигнал радиоприемника или электрогитары звукоснимателя , до уровня, достаточно высокого для работы громкоговорителей или наушников . Усилители мощности звука можно найти во всех звуковых системах, включая звукоусиление , системы громкой связи , домашние аудиосистемы и усилители музыкальных инструментов, например, гитарные усилители . Это последний электронный этап типичной цепочки воспроизведения звука перед отправкой сигнала на громкоговорители.
Предыдущими этапами в такой цепочке являются маломощные усилители звука, выполняющие такие задачи, как предварительное усиление сигнала, эквалайзер , микширование различных входных сигналов . Входами также может быть любое количество аудиоисточников, таких как проигрыватели пластинок , проигрыватели компакт-дисков , цифровые аудиоплееры и кассетные проигрыватели . Большинству усилителей мощности звука требуются эти входы низкого уровня, которые являются линейными .
Хотя входной сигнал усилителя мощности звука, например сигнал электрогитары, может иметь мощность всего несколько сотен микроватт , его выходная мощность может составлять несколько ватт для небольших устройств бытовой электроники, таких как радиочасы , десятки или сотни ватт. для домашней стереосистемы — несколько тысяч ватт для звуковой системы ночного клуба или десятки тысяч ватт для системы звукоусиления большого рок-концерта. В то время как усилители мощности доступны в виде отдельных устройств, обычно ориентированных на рынок Hi-Fi аудиофилов (нишевый рынок) энтузиастов звука и профессионалов в области систем звукоусиления, многие бытовой электроники аудиопродукты , такие как интегрированный усилитель , ресивер , радиочасы, бумбоксы а в телевизорах и предусилитель, и усилитель мощности находятся в одном шасси.
История
[ редактировать ]
Звуковой усилитель был изобретен примерно в 1912 году Ли де Форестом . Это стало возможным благодаря изобретению им первого практического усиливающего электрического компонента, триодной вакуумной лампы (или «клапана» на британском английском языке) в 1907 году. Триод представлял собой трехполюсное устройство с управляющей сеткой, которая могла модулировать поток электронов. от нити к пластине. Триодный вакуумный усилитель был использован при создании первого AM-радио . [2] Ранние усилители мощности звука были основаны на электронных лампах, и некоторые из них достигали особенно высокого качества звука (например, усилитель Williamson 1947–1949 годов).
Усилители мощности звука на транзисторах стали практичными с появлением в конце 1960-х годов широкой доступности недорогих транзисторов. С 1970-х годов большинство современных усилителей звука основаны на твердотельных транзисторах, особенно на биполярном переходном транзисторе (BJT) и полевом транзисторе металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Транзисторные усилители легче, надежнее и требуют меньшего обслуживания, чем ламповые усилители .
MOSFET в , изобретенный Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs 1959 году. [3] был адаптирован в мощный полевой МОП-транзистор для аудио Дзюнъити Нисидзавой из Университета Тохоку в 1974 году. [4] начала производить силовые МОП-транзисторы Вскоре компания Yamaha для своих Hi-Fi усилителей . JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba также начали производство усилителей с силовыми МОП-транзисторами в 1974 году. [4] В 1977 году Hitachi представила LDMOS (МОП с боковой диффузией), разновидность мощных МОП-транзисторов. Hitachi была единственным производителем LDMOS в период с 1977 по 1983 год, в течение этого времени LDMOS использовался в усилителях мощности звука от таких производителей, как HH Electronics (V-серия) и Ashly Audio , а также использовался для музыки и систем громкой связи . [4] Усилители класса D стали успешными в середине 1980-х годов, когда стали доступны недорогие быстропереключающиеся МОП-транзисторы. [5] Многие транзисторные усилители используют MOSFET-транзисторы в своих силовых частях, поскольку их кривая искажений больше похожа на ламповую . [6]
В 2010-х годах все еще есть аудиоэнтузиасты, музыканты (особенно электрогитаристы , электрические басисты , органисты Hammond и Fender Rhodes электропианино , среди прочих), звукоинженеры и музыкальные продюсеры , которые предпочитают ламповые усилители и то, что воспринимается как более «теплый» ламповый звук .
Расчетные параметры
[ редактировать ] |
Ключевыми параметрами конструкции усилителей мощности звука являются частотная характеристика , коэффициент усиления , шум и искажения . Они взаимозависимы; Увеличение усиления часто приводит к нежелательному увеличению шума и искажений. Хотя отрицательная обратная связь фактически снижает усиление, она также уменьшает искажения. Большинство аудиоусилителей представляют собой линейные усилители, работающие в классе AB .
До 1970-х годов в большинстве усилителей использовались электронные лампы . В 1970-е годы ламповые усилители все чаще заменялись транзисторными усилителями, которые были легче по весу, более надежны и требовали меньшего обслуживания. Тем не менее, ламповые предусилители по-прежнему продаются на нишевых рынках , например, среди домашних энтузиастов Hi-Fi , звукоинженеров и музыкальных продюсеров (которые используют ламповые предусилители в студийных записях для «разогрева» микрофонных сигналов), а также электрогитаристов, электрических басистов и органистов Hammond. музыканты, меньшинство которых продолжает использовать ламповые предусилители, ламповые усилители мощности и ламповые эффекты . В то время как энтузиасты Hi-Fi и звукоинженеры, выполняющие живой звук или мониторящие треки в студии, обычно ищут усилители с наименьшими искажениями, исполнители на электроинструментах в таких жанрах, как блюз , рок-музыка и хэви-метал , среди прочих, используют ламповые усилители, потому что они как естественный овердрайв, который производят ламповые усилители при сильном нажатии.
Усилитель класса D , который намного более эффективен, чем усилители класса AB, в настоящее время широко используется в бытовой электроники аудиопродуктах , басовых усилителях и устройствах систем звукоусиления , поскольку усилители класса D намного легче по весу и выделяют гораздо меньше тепла.
Фильтры и предусилители
[ редактировать ]Поскольку современные цифровые устройства, включая проигрыватели компакт-дисков и DVD, радиоприемники и кассетные деки, уже обеспечивают «ровный» сигнал на линейном уровне, предусилитель не нужен, кроме как в качестве регулятора громкости и выбора источника. Одной из альтернатив отдельному предусилителю является простое использование пассивных регуляторов громкости и переключения, иногда встроенных в усилитель мощности для формирования интегрированного усилителя .
Выходные каскады мощности
[ редактировать ]
Заключительный этап усиления после предусилителей — это выходной этап, где к транзисторам или лампам предъявляются самые высокие требования. По этой причине выбор конструкции был сделан вокруг выходного устройства (для несимметричных выходных каскадов, например, в несимметричных триодных усилителях) или устройств (для двухтактных выходных каскадов), например, класса работы выходных устройств. часто воспринимается как описание всего усилителя мощности. Например, в усилителе класса B, вероятно, только выходные устройства высокой мощности будут отключены на половину каждого цикла, в то время как другие устройства (такие как дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и, возможно, даже транзисторы управления) работают в классе A. безтрансформаторный выходной каскад , устройства по существу включаются последовательно с источником питания и выходной нагрузкой (например, громкоговорителем), возможно, через какой-то большой конденсатор и/или небольшие сопротивления.
Дальнейшие разработки
[ редактировать ]В течение нескольких лет после появления твердотельных усилителей их воспринимаемый звук не имел такого превосходного качества звука, как у лучших ламповых усилителей (см. Ламповый аудиоусилитель ). Это привело аудиофилов к мысли, что «ламповый звук» или ламповый звук имеет внутреннее качество, обусловленное самой технологией электронных ламп. В 1970 году Матти Отала опубликовал статью о происхождении ранее не наблюдавшейся формы искажений: переходных интермодуляционных искажений (TIM), [7] позже также назвали его «нарастающим искажением» (SID). другие [8] Было обнаружено, что искажение TIM возникает при очень быстром увеличении выходного напряжения усилителя. [9]
TIM не появлялся при измерениях синусоидального тона в установившемся состоянии, что помогало скрыть его от инженеров-конструкторов до 1970 года. Проблемы с искажениями TIM возникают из-за пониженной частотной характеристики разомкнутого контура твердотельных усилителей. Дальнейшие работы Оталы и других авторов нашли решение проблемы искажений TIM, включая увеличение скорости нарастания напряжения , уменьшение полосы частот предусилителя и введение схемы компенсации задержки во входном каскаде усилителя. [10] [11] [12] В современных высококачественных усилителях частота отклика разомкнутого контура составляет не менее 20 кГц, что исключает искажения TIM.
Следующим шагом в усовершенствованном дизайне стала теорема Баксандалла, созданная Питером Баксандаллом в Англии. [13] Эта теорема ввела концепцию сравнения соотношения входных искажений и выходных искажений усилителя. Эта новая идея помогла инженерам-аудиодизайнерам лучше оценить процессы искажений в усилителе.
Приложения
[ редактировать ]
Важные области применения включают системы громкой связи , системы звукоусиления театров и концертов , а также бытовые системы, такие как стереосистемы или системы домашнего кинотеатра . В инструментальных усилителях, включая гитарные усилители и усилители для электрических клавишных инструментов, также используются усилители мощности звука. В некоторых случаях усилитель мощности инструментального усилителя интегрируется в единую «голову» усилителя, которая содержит предусилитель, регуляторы тембра и электронные эффекты. Эти компоненты можно установить в деревянный корпус динамика, чтобы создать «комбинированный усилитель». Музыканты с уникальными потребностями в исполнении и/или потребностью в очень мощном усилении могут создать индивидуальную установку с отдельными предусилителями, монтируемыми в стойку , эквалайзерами и усилителем мощности, установленными в 19-дюймовом дорожном кейсе .
Усилители мощности доступны в виде автономных устройств, которые используются энтузиастами Hi-Fi аудио и разработчиками систем громкой связи (PA-систем) и систем звукоусиления . Пользователь Hi-Fi усилителей мощности может иметь стереоусилитель мощности для управления левым и правым динамиками и одноканальный (моно) усилитель мощности для управления сабвуфером . Количество усилителей мощности, используемых в системе звукоусиления, зависит от размера помещения. В небольшой кофейне может быть один усилитель мощности, управляющий двумя громкоговорителями. В ночном клубе может быть несколько усилителей мощности для основных динамиков, один или несколько усилителей мощности для мониторных динамиков (направленных в сторону оркестра) и дополнительный усилитель мощности для сабвуфера. На концерте на стадионе может быть установлено большое количество усилителей мощности, установленных в стойках. Большинство звуковых продуктов бытовой электроники , таких как телевизоры , бумбоксы , для домашнего кинотеатра звуковые системы , электронные клавиатуры Casio и Yamaha , «комбинированные» гитарные усилители и автомобильные стереосистемы, имеют усилители мощности, встроенные в корпус основного продукта.
См. также
[ редактировать ]- полевой усилитель
- Инструментальный усилитель – Усилитель с громкоговорителем для использования с музыкальными инструментами.
- ОКЛ-усилитель
- Двухтактный выход
- Однотактный триод
- Схемы управления тембром
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «1 – Интегрированный усилитель (все версии)» . Архивировано из оригинала 24 апреля 2011 г. Проверено 16 января 2011 г. Cyrus Audio: Архив продукта: Cyrus One
- ^ Транзистор в веке электроники . nobelprize.org
- ^ «Переосмыслите плотность мощности с помощью GaN» . Электронный дизайн . 21 апреля 2017 года . Проверено 23 июля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Эльзевир . стр. 177–8, 406 . ISBN 9780080508047 .
- ^ Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Ньюнес. стр. 147–148. ISBN 9780750626293 .
- ^ Флиглер, Ричи; Эйхе, Джон Ф. (1993). Усилители! Другая половина рок-н-ролла . Корпорация Хэла Леонарда . ISBN 9780793524112 .
- ^ Отала, М. (1970). «Переходные искажения в транзисторных усилителях мощности звука». Транзакции IEEE по аудио и электроакустике . 18 (3): 234–239. дои : 10.1109/ТАУ.1970.1162117 . S2CID 13952562 .
- ^ Юнг, Уолтер Г.; Стивенс, Марк Л. и Тодд, Крейг К. (июнь 1979 г.). «Обзор SID и TIM». Аудио .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Отала, Матти (июнь 1972 г.). «Модификации конструкции схемы для минимизации переходных интермодуляционных искажений в усилителях звука» . Журнал Общества аудиоинженеров . 20 (5).
- ^ Ламмасниеми, Йорма; Ниеминен, Кари (май 1980 г.). «Распределение скорости изменения сигнала фонографа» . Журнал Общества аудиоинженеров . 28 (5).
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Петри-Ларми, М.; Отала, М.; Ламмасниеми, Дж. (март 1980 г.). «Психоакустический порог обнаружения переходных интермодуляционных искажений» . Журнал Общества аудиоинженеров . 28 (3).
- ^ Обсуждение практических конструктивных особенностей, которые могут спровоцировать или уменьшить ограничение скорости нарастания и переходную интермодуляцию в аудиоусилителях, также можно найти, например, в Худ, Джон Линсли (1993). «Гл. 9». Искусство линейной электроники . Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. дои : 10.1016/B978-0-7506-0868-8.50013-8 . ISBN 978-0-7506-0868-8 .
- ^ Баксандалл, Питер (февраль 1979 г.) «Дизайн усилителя мощности звука». Архивировано 9 июня 2022 г. в Wayback Machine , журнал Wireless World.
