Про усилители

Про те, что УНЧ, аудиосигнал усиливать. Их, как известно, есть несколько классов. Я бы сказал, что наиболее распространены классы А, АВ, и D.

Класс А самый простой в строительстве, но самый неэффективный. КПД составляет хорошо если 25%. А остальное лепистричество улетает в тепло (куда ж ещё). Так что 100-ваттный усилитель будет от сети жрать минимум ватт 400, и греться соответственно. Это не проблема для предусилителей, или усилителей для наушников, где выходная мощность очень невелика. Мой собственнолапно спаянный предусилитель для компьютерного микрофона была класса А -- проще просто некуда. Но для более-менее мощных аудиосистем класс А уже подходит хреново, и поэтому чаще всего используется класс АВ. Он уже посложнее в строительстве, требует двух выходных транзисторов и соответствующей схемы смещения. Но зато его КПД уже доходит до 70-75%. Это самый распространённый сейчас класс усилителей... но всё чаще и чаще заменяется усилителями класса D.

Класс D -- это, если предельно упростить, ШИМ-контроллер. Его рабочая частота находится глубоко за пределами человеческого слуха -- 200, 400, 600 килогерц. И вперёд, управляем широтой импульса. Верхний пик -- скважность 100%, нижний -- 0%, ноль -- 50%. Чего в этом хорошего? Прекрасный КПД, конечно. 90% и выше. КПД высокий -- греемся мало. Надо менее мощный блок питания, менее крупный радиатор -- сплошная выгода!

В принципе, всё, что нужно для строительства усилителя класса D -- это генератор рабочей частоты и компаратор. Его можно даже на таймерной микросхеме типа 555 построить (см. ногу этой микросхемы №5, control). Только звучать оно будет... вам, боюсь, не очень понравится.

Что подводит меня к следующей мысли. Если кому-то очень хочется спаять качественный усилитель класса АВ, то, конечно, можно это сделать на дискретных транзисторах. Но проще взять готовую микросхему с хорошими характеристиками, которой нужен минимум внешних деталей. Например, известный LM3886. На этом мощном операционном усилителе (это самый настоящий операционник, только с бильярдом и профурсетками) аудиосистему не собирал разве что ленивый, и я тоже (где-то в подвале валяется). Совсем ленивые (вроде меня) покупали модификацию LM3886TF -- её не надо было изолировать от радиатора. Неплохой, кстати, усилитель. По паспорту коэффициент нелинейных искажений (КНИ) у неё был просто исчезающе мал -- 0.03%. Сомневаюсь, что такое можно услышать. Замерять -- да. А вот услышать уже врядли.

Если же кто-то захочет собрать приличный усилитель класса D на дискретных деталях -- ой... Без серьёзных знаний лучше даже и не браться. Но опять же можно взять готовую микросхему. Например, TPA3250D2.

Вот тут у меня уже серьёзное непонимание. Вот по паспорту у LM3886 мощность 68 ватт. У TPA3250D2 -- 70 ватт. Сравнимо.

Уровень КНИ при повышении мощности растёт. У LM3886, включенной на всю катушку, на все 68 ватт, он составляет 0.1%. Хуже, чем 0.03% в простое, но всё равно неплохо. Не уверен, что услышу такие искажения.

А вот у TPA3250D2, включенной на все свои 70 ватт, КНИ составляет 10%. Десять процентов, Карл дорогие сэры! То-есть, в сто раз хуже, чем у LM3886. Как-то это... Mckayla is not impressed. Я понимаю, что с громкоговорителями с нормальной чувствительностью, подключенными к 70 ваттам, в одной комнате без берушей находится будет невозможно. Но очень непонятно, как это более новый тип электроники выдаёт результат в 100 раз хуже. Почему КНИ у "цифрового" класса D так сильно растёт по сравнению с "аналоговым" АВ?

Насколько я понимаю, у square signal гармоники прут неимоверно, вот оттуда и THD прет. Старшие товарищи меня поправят.

КНИ 10% исключительно от желания производителя нарисовать побольше цифирь выходной мощности при меньшем напряжении питания МС.
Смотри в дейташитах графики зависимости КНИ от выходной мощности при разных сопротивлениях нагрузки и напряжениях питания у обеих микросхем, они весьма похожи и имеют минимум искажений при амплитудном значении сигнала близком к напряжению питания, а дальше начинается ограничение, и соответственно, рост искажений.
Ага, понял -- т.е. усилитель тупо улетает в клиппинг?
Да. Причем, из-за того что и тот и другой усилители с отрицательной обратной связью, уровень искажений пока нет клиппинга низкий.
Пять минут на поиск pdf, тридцать секунд на поиск нужного графика (он оказался на первой странице), и - тадам! - ответ:

tpa
http://ic.pics.livejournal.com/dibr/9311715/399482/399482_original.jpg

КНИ, как и обычных усилителей, взрывным образом растёт выше какого-то порога. "Максимальную паспортную мощность" разные производители указывают по разному, но достаточно популярным является указание мощности, при которой усилитель "ещё звучит, но уже похрипывает", то есть - при уровне КНИ 10%. Это не только у "класса Д" так, у многих "аналоговых" мощность тоже указана при КНИ 10%.

Но это означает, что если несколько снизить мощность по сравнению с "паспортной", то КНИ резко упадёт. В данном конкретном случае, при P=40W КНИ получается менее 0.002%, что не так уж плохо :-)

UPD: а словами на той же первой странице приведены мощности для 10% КНИ, и - отдельно - для 1% КНИ (60W). Хорошо бы приводить и для 0.1%, например, но можно и на график посмотреть :-)

Edited at 2016-01-05 02:01 pm (UTC)
Ага, пасиба -- интересно, почему такое резкое, практически "цифровое" колено у этого графика? Может быть действительно, просто в потолок по питанию упирается.
Почему "цифровое" - понятно: "аналоговые" усилители упираются в потолок по питанию, "цифровые" - в потолок по скважности (нельзя сделать duty больше 100% или меньше 0%, а вот внутри этих рамок ходить можно свободно до самых краёв).

Любопытно обратное - почему излом не такой резкий, как можно было ожидать? По идее, если "в потолок" упирается уже 40Вт, и "упирание" резкое (ибо "цифра"), то уже 50Вт дало бы этак 15-20% КНИ, а к 70Вт там от исходного звука мало что осталось бы. Однако к 70Вт мы имеем "всего" 10%.
У "аналоговых" усилителей такая плавность понятна - там "упор в потолок" относительно мягкий, и за счёт "мягкости" собственно нелинейности, и за счёт того, что ООС пытается её скомпенсировать, но тем слабее, чем сильнее упираемся. А от "цифрового" усилителя я ожидал низкого КНИ до самого края, а потом стремительного взлёта примерно "по проценту на процент мощности". Тут же взлёт в разы медленнее.
>Любопытно обратное - почему излом не такой резкий, как можно было ожидать?
Там все та же ООС... а джиттер в драйвере выходных транзисторов + шумы компаратора PWM создают мягкость...