Аналоговые или импульсные усилители - что лучше?

Не первый год вижу обсуждение такого вопроса на различных форумах и в группах: «Почему в Edifier R2700/R2800 применили именно класс D в усилителе и цифровой тракт?» Предлагаю рассмотреть все возможные варианты реализации звукового тракта на примере модели R2800 (Studio 8) и сделать выводы.
Постараюсь изложить материал доступными тезисами, дабы не напрягать умы неподготовленных читателей, и при этом рассмотреть все нюансы. Данная статья будет полезна в плане сравнения классов усиления AB и D. Класс А, как требующий массивной системы охлаждения, обладающий низким КПД и прожорливый в плане электропитания я решил не рассматривать, также, класс H, как весьма экзотический и не используемый в домашних аудиосистемах нам тоже неинтересен. Возьмем только старую добрую аналоговую классику – класс AB, и относительно молодую, но весьма перспективную импульсную схемотехнику класса D.
Итак, приступим: как исходную для построения нашей акустической системы имеем следующие факторы: Полочная акустическая система, 3 акустические полосы – НЧ, СЧ, ВЧ, мощность суммарная 140 Ватт, мощность пополосно – соответственно, 36, 18 и 16 Ватт RMS, возможность работы с цифровыми и аналоговыми источниками сигнала, наличие дистанционного управления системой.
Варианты для усилителя в классе АВ следующие:
Основная схема: аналоговый предусилитель, аналоговый усилитель класса АВ, ЦАП на входе цифровых сигналов.
Казалось бы, вполне классическая компоновка, подобная построению звукового тракта в модели Edifier S2000, но тут у нас всё несколько иначе, и вот почему – у нас не две, а целых три полосы в каждом канале усиления. Начинаем моделировать структуру усилителя: Первым делом рассмотрим варианты выходного каскада усилителя – их несколько: 1. Интегральные микросхемы (в нашем случае не менее 70 Ватт на каждый из двух каналов с учетом мощностных потерь на элементах кроссовера). 2. Дискретные элементы – полевые или биполярные транзисторы. Не забываем при этом, что в любом случае, КПД нашего усилителя не будет превышать 55-60% от мощности источника питания.
Также, нам будет необходимо организовать эффективный теплоотвод от элементов оконечного усилителя, разместив на задней стенке активной колонки довольно массивный радиатор – иначе наш усилитель пропоет очень недолго и будет либо уходить в защиту, либо выйдет из строя от перегрева. С компонентами усилителя ещё не всё – если мы будем использовать пассивные кроссоверы, то нам будет достаточно поставить на выходе пару микросхем TDA7294 или две комплементарные пары транзисторов – к примеру: 2SA1941 и 2SC5198, то при работе с активным кроссовером, дискретные элементы нам уже не подходят, так, как придется использовать уже 6 пар транзисторов (по числу каналов усиления).
При этом размеры радиатора охлаждения и его вес будут очень велики для нашей конструкции. В таком случае остается только вариант с микросхемами – например, три двухканальных LM4766T или 4 одноканальных TDA2050 + сдвоенная TDA7492 на НЧ-канал. Площадь радиатора при этом также займет почти всю поверхность задней стенки активной колонки, а вес существенно возрастет (не забываем про размеры и мощность трансформатора для такой связки).
В итоге, мы можем использовать только 3 варианта в классе АВ: 1. ЦАП, аналоговый предусилитель, аналоговый усилитель на транзисторах, пассивный кроссовер. 2. ЦАП, аналоговый предусилитель, аналоговый усилитель на микросхемах, пассивный кроссовер. 3. ЦАП, аналоговый предусилитель, активный кроссовер, аналоговый усилитель на микросхемах. Если с ЦАП всё более-менее ясно - можно применить довольно приличный чип PCM 1796 от Texas Instruments и решить все вопросы с качеством преобразования цифрового потока в аналоговый синус, то далее уже возникает очень много нюансов – не забыли, что нам нужно организовать ДУ нашей акустикой? Нам нужен контроллер, который будет взаимодействовать с темброблоком нашей системы – в этом случае, управление на колонке будет либо с помощью безупорного регулятора - валкодера, либо, при помощи тактовых кнопок – механические потенциометры не могут управляться контроллером, а моторизованные будут дорогими в применении и весьма громоздкими.
Ещё нам понадобится реализовать селектор входов для аналоговых и цифровых подключений. Темброблок, совмещенный с предусилителем проще всего организовать с помощью раздельных интегрированных операционных усилителей, или использовать одну специализированную микросхему.
Итак, получаем следующее: крупный трансформатор на 200-220 ВА с двумя симметричными обмотками для питания нашего усилителя, плюс, не забываем про низковольтное питание нашего темброблока и контроллера ДУ, селектора входов и ЦАП. Вдобавок к этому имеем крупную печатную плату с контроллером, темброблоком (и в третьем варианте – с элементами активного кроссовера), плату оконечного усилителя с обвязкой и мощной системой охлаждения.
При работе усилителя класса АВ на трехполосную акустику с пассивным кроссовером, так же большое внимание придется уделить грамотному расчету и подбору компонентов самого кроссовера. Так, как наш низкочастотный динамик имеет сопротивление 6 Ом, а СЧ и ВЧ по 4 Ома, то согласовывать такую систему придется большим количеством пассивных элементов, что вылетит в копеечку, и при этом может не дать такой же результат, как с активным сведением полос перед входами оконечного усилителя.
Выводы. Плюсы и минусы:
Плюсы:
1. Большой выбор элементной базы для построения усилителя класса АВ.
2. Отработанные годами решения в схемотехнике.
3. Простота диагностики, ремонта и замены деталей.
4. Доступность элементной базы в продаже.
Минусы:
1. Малый КПД порядка 50-60% от потребляемого усилителем питания.
2. Высокое тепловыделение выходных каскадов.
3. Габаритный трансформатор питания.
4. Требуется тщательная разводка сигнальных и силовых линий на платах, экранирование слаботочных аналоговых линий, правильная разводка земляных линий.
5. Большое количество элементов обвязки усилителя.
6. Сложность реализации полноценного дистанционного управления системой.
7. Склонность к клиппингу и искажениям при высоких уровнях сигнала.
Также существуют гибридные решения, где весь тракт вплоть до оконечных усилителей аналоговый, а оконечный усилитель импульсный (модулирование синуса в импульсный сигнал происходит внутри микросхемы, например: TPA3123D2), но в такой схеме единственным плюсом является пониженное энергопотребления выходного каскада усилителя и его пониженное тепловыделение, а все прочие минусы аналогового тракта присутствуют.
Импульсные усилители класса D – ещё не будущее, но уже и не прошлое.
Что мы можем получить от класса D при конструировании нашего усилителя? Начнем с очевидного: 1. Высокий КПД – до 95% от потребляемой энергии. 2. Вытекает из первого пункта – меньшее, чем у класса АВ тепловыделение. 3. Меньшая чувствительность к перегрузкам. И много чего ещё…
Импульсный усилитель мы можем организовать как на дискретных полевых транзисторах (часто используются полевики серий IR (Ирки, как называют их электронщики на сленге), и IRS (Ириски) от компании International Rectifier, так и на интегральных микросхемах, содержащих в себе цепи преобразования импульсно-кодовой модуляции в широтно-импульсную (ИКМ-ШИМ преобразование). Нас больше интересует второй вариант, как более компактный и подходящий под наши параметры. Как правило, на дискретных элементах выполнены мощные импульсные усилители – у нас же мощность не такая и большая, мы можем использовать элементы с интеграцией различных узлов и цепей.
Если мы планируем цифровую схемотехнику, то логичнее всего на входе аналоговых линий использовать АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), что и подтолкнуло инженеров компании к использованию микросхемы PCM1808 от TI. Микросхема довольно распространенная и встречается как в дорогих аппаратах, так и простых устройствах. Отличается стабильностью, высокими параметрами преобразования и небольшим количеством элементов обвязки. А вот дальше уже вариантов может быть несколько: 1. Контроллер, управляющий ДУ, микросхема-контроллер темброблока, выход на преобразователи, импульсный усилитель, LC-фильтр. 2. Более «навороченный» вариант: при использовании раздельного полосового усиления и активного кроссовера нам потребуется процессор, который и будет
управлять настройками раздела полос, контроллер, который будет работать с темброблоком и дистанционным управлением, несколько импульсных усилителей с ШИМ-преобразованием, каждый из которых будет работать со своим набором звуковых частот.
Огромный плюс в использовании специализированного процессора заключается в том, что печатную плату, разработанную с его применением можно использовать с бесконечным числом акустических систем, просто изменяя параметры его микрокода, добавляя или удаляя те, или иные функции, что обеспечивает принципы модульности и гибкости при использовании одной и той же платы в разных моделях АС. Инженерами компании Edifier был выбран чип TAS5508C – 8-и канальный аудиопроцессор на основе ШИМ-преобразования, в котором были задействованы все линии – 4 на НЧ-каналы, и по 2 на СЧ и ВЧ-каналы. В качестве оконечных усилителей были выбраны 4-х канальные ШИМ-усилители. Также от TI – TAS5342LA. В итоге мы получили небольшой специализированный компьютер, который работает с импульсным усилителем класса D. Такого шикарного набора функций сложно добиться с компактной аналоговой схемой – присутствуют активные фазолинейные кроссоверы 4-го порядка (24 дБ на октаву), DRC – цифровая система ограничения перегрузки, работа с несколькими линиями сигнала. В общем, преимущества налицо.
Выводы. Плюсы и минусы:
Плюсы:
1. Высокий КПД импульсного усилителя.
2. Низкое тепловыделение.
3. Компактность размещения элементов.
4. Не требуются громоздкие радиаторы системы охлаждения.
5. Высокая помехозащищенность сигнальных линий.
6. Большая гибкость при проектировании.
7. Меньший уровень искажений, чем у аналоговых усилителей.
Минусы:
1. Требуется высокая квалификация при проектировании и настройке.
2. При выходе из строя непросто отремонтировать своими силами.
3. Элементная база не всегда продается в розничных сетях.