تقویت کننده صوتی یک اصطلاح کلی است که برای توصیف مداری استفاده می شود که نسخه ای از سیگنال ورودی خود را تولید و تقویت می کند. با این حال، همه فناوری‌های مبدل یکسان نیستند زیرا بر اساس پیکربندی‌ها و حالت‌های عملکردشان طبقه‌بندی می‌شوند.
در الکترونیک، تقویت‌کننده‌های کوچک معمولاً استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند یک سیگنال ورودی نسبتاً کوچک، مانند یک سنسور مانند پخش‌کننده موسیقی، را به سیگنال خروجی بسیار بزرگ‌تری برای هدایت رله، لامپ یا بلندگو تقویت کنند. و غیره
اشکال زیادی از مدارهای الکترونیکی وجود دارد که به عنوان تقویت کننده طبقه بندی می شوند، از مبدل های سیگنال عملیاتی و کوچک گرفته تا مبدل های پالس و توان بزرگ. طبقه بندی یک دستگاه به اندازه سیگنال، بزرگ یا کوچک، پیکربندی فیزیکی آن، و نحوه پردازش جریان ورودی، یعنی رابطه بین سطح ورودی و جریان جریان در بار بستگی دارد.
آناتومی دستگاه
تقویت کننده های فرکانس صوتی را می توان به عنوان یک جعبه ساده دیدیا بلوکی حاوی دستگاهی مانند سنسور دوقطبی، FET یا عملیاتی که دارای دو ترمینال ورودی و دو خروجی است (زمین رایج است). علاوه بر این، سیگنال خروجی به دلیل تبدیل آن در دستگاه بسیار بزرگتر است.
یک تقویت کننده سیگنال ایده آل دارای سه ویژگی اصلی است:
- امپدانس ورودی، یا (R IN).
- مقاومت خروجی، یا (R OUT).
- بهبود، یا (A).
مهم نیست مدار تقویت کننده چقدر پیچیده باشد، می توان از یک مدل بلوک کلی برای نشان دادن رابطه این سه ویژگی استفاده کرد.
مفاهیم کلی
تقویت کننده های صوتی با کیفیت بالا ممکن است از نظر عملکرد متفاوت باشند. هر نوع دارای تبدیل دیجیتال یا آنالوگ است. کدها برای جدا کردن آنها تنظیم شده اند.
افزایش تفاوت بین سیگنال های ورودی و خروجی تبدیل نامیده می شود. Gain اندازه گیری است که نشان می دهد یک تقویت کننده چقدر سیگنال ورودی را "تبدیل" می کند. به عنوان مثال، اگر سطح ورودی 1 ولت و سطح خروجی 50 ولت باشد، تبدیل 50 خواهد بود. به عبارت دیگر، سیگنال ورودی 50 بار توسعه یافته است. تقویت کننده فرکانس صوتی این کار را انجام می دهد.
محاسبه تبدیل صرفاً نسبت خروجی تقسیم بر ورودی است. این سیستم واحدهایی را به عنوان نسبت ندارد، اما در الکترونیک معمولاً از نماد A برای بهره استفاده می شود. سپس تبدیل به سادگی به عنوان "خروجی تقسیم بر ورودی" محاسبه می شود.
مبدل قدرت
ذره بین کوچکتقویت کننده سیگنال معمولاً به عنوان تقویت کننده "ولتاژ" شناخته می شود زیرا تمایل دارد یک ورودی کوچک را به ولتاژ خروجی بسیار بزرگتر تبدیل کند. گاهی اوقات یک مدار دستگاه برای به حرکت درآوردن نیروی موتور یا بلندگو مورد نیاز است و برای این نوع کاربردها، که در آن جریان های سوئیچینگ بالا درگیر هستند، به مبدل های قدرت نیاز است.
همانطور که از نام آن پیداست، وظیفه اصلی یک تقویت کننده قدرت (که به عنوان تقویت کننده سیگنال بزرگ نیز شناخته می شود) تامین برق برای یک بار است. حاصل ضرب ولتاژ و جریان اعمال شده به باری با توان خروجی بیشتر از سطح سیگنال ورودی است. به عبارت دیگر مبدل باعث افزایش قدرت بلندگو می شود، بنابراین از این نوع مدار بلوک در مراحل خارجی مبدل های صوتی برای راه اندازی بلندگوها استفاده می شود.
اصل عملیات
تقویت کننده صدا بر اساس اصل تبدیل برق DC گرفته شده از منبع تغذیه به سیگنال ولتاژ AC عرضه شده به بار کار می کند. اگرچه تبدیل بالا است، اما راندمان منبع تغذیه DC به سیگنال خروجی ولتاژ متناوب کم است.
یک بلوک ایده آل به دستگاه بازدهی 100% می دهد یا حداقل برق ورودی برابر با برق OUT خواهد بود.
تقسیم کلاس
اگر کاربران تا به حال به مشخصات تقویت کننده های قدرت صوتی نگاه کرده باشند، ممکن است متوجه کلاس های تجهیزات شده باشند که معمولاً با حرف یا علامت مشخص می شوند.دو رایج‌ترین انواع بلوک‌هایی که امروزه در صدای مصرفی خانگی استفاده می‌شوند، مقادیر A، A/B، D، G و H هستند.
این کلاس‌ها سیستم‌های طبقه‌بندی ساده نیستند، بلکه توصیفی از توپولوژی تقویت‌کننده هستند، یعنی نحوه عملکرد آنها در سطح هسته. در حالی که هر نوع تقویت کننده مجموعه ای از نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارد، عملکرد آنها (و نحوه اندازه گیری ویژگی های نهایی) یکسان باقی می ماند.
این برای تبدیل شکل موج ارسال شده توسط پیش واحد بدون ایجاد تداخل یا حداقل کمترین اعوجاج ممکن است.
کلاس A
در مقایسه با کلاس های دیگر تقویت کننده های قدرت صوتی که در زیر توضیح داده خواهد شد، مدل های کلاس A دستگاه های نسبتا ساده ای هستند. اصل تعیین کننده عملکرد این است که همه بلوک های خروجی مبدل باید از یک چرخه سیگنال 360 درجه عبور کنند.
کلاس A را نیز می توان به تقویت کننده های تک سر و فشار کش تقسیم کرد. فشار/کشش با توضیح اصلی بالا با استفاده از دستگاه های خروجی به صورت جفت متفاوت است. در حالی که هر دو دستگاه یک چرخه کامل 360 درجه را اجرا می کنند، یک دستگاه بیشتر بار را در طول قسمت مثبت چرخه حمل می کند، در حالی که دستگاه دیگر بیشتر چرخه منفی را حمل می کند.
مزیت اصلی این مدار کاهش اعوجاج در مقایسه با طرح های تک سر است، زیرا حتی نوسانات سفارش نیز حذف می شوند. علاوه بر این، طرح‌های فشار کش کلاس A نسبت به نویز حساسیت کمتری دارند.
به دلیل ویژگی‌های مثبت مرتبط با عملکرد کلاس A، استاندارد طلایی کیفیت صدا در بسیاری از کاربردهای آکوستیک در نظر گرفته می‌شود. با این حال، این طرح ها یک اشکال مهم دارند - کارایی.
نیاز برای تقویت‌کننده‌های صوتی ترانزیستوری کلاس A برای روشن بودن همه دستگاه‌های خروجی همیشه. این عمل منجر به از دست دادن قابل توجه انرژی می شود که در نهایت به گرما تبدیل می شود. این امر با این واقعیت تشدید می‌شود که طرح‌های کلاس A به سطوح نسبتاً بالایی جریان ساکن نیاز دارند، که مقدار جریانی است که از دستگاه‌های خروجی عبور می‌کند زمانی که تقویت‌کننده خروجی صفر تولید می‌کند. نرخ‌های بازدهی در دنیای واقعی می‌تواند در حد 15-35٪ باشد، با استفاده از منابع بسیار پویا، تک رقمی ممکن است.
کلاس B
در حالی که همه مکانیسم‌های خروجی در تقویت‌کننده صوتی کلاس A 100% زمان کار را می‌گیرند، واحدهای کلاس B از مدارهای فشار کش استفاده می‌کنند به طوری که تنها نیمی از دستگاه‌های خروجی در هر زمان هدایت می‌شوند.
یک نیمه قسمت +180 درجه شکل موج را پوشش می دهد در حالی که نیمی دیگر قسمت -180 درجه را می پوشاند. در نتیجه تقویت‌کننده‌های کلاس B به طور قابل‌توجهی کارآمدتر از همتایان کلاس A خود هستند، با حداکثر تئوری 78.5%. با توجه به راندمان نسبتاً بالا، کلاس B در برخی از مبدل های PA حرفه ای و همچنین برخی از تقویت کننده های لوله خانگی استفاده شده است. با وجود آنهاقدرت آشکار، شانس به دست آوردن یک بلوک کلاس B برای یک خانه عملا صفر است. بررسی آمپلی فایر صوتی دلیل این امر را نشان داد که به عنوان اعوجاج متقاطع شناخته می شود.
مشکل تأخیر در انتقال بین دستگاه هایی که قسمت های مثبت و منفی شکل موج را پردازش می کنند قابل توجه است. ناگفته نماند که این اعوجاج در مقادیر کافی قابل شنیدن است، و در حالی که برخی از طرح های کلاس B از این نظر بهتر از سایرین بودند، کلاس B از طرف علاقه مندان به صدای تمیز شناخت کمی دریافت کرد.
کلاس A/B
تقویت کننده صوتی لوله ای را می توان در بسیاری از سالن های کنسرت یافت. عملکرد بالایی دارد و بیش از حد گرم نمی شود. علاوه بر این، مدل ها بسیار ارزان تر از بسیاری از بلوک های دیجیتال هستند. اما انحرافاتی نیز وجود دارد. چنین ماژولی ممکن است با همه فرمت های صوتی کار نکند. بنابراین، بهتر است از تجهیزات به عنوان بخشی از یک مجتمع پردازش سیگنال عمومی استفاده شود.
کلاس A/B بهترین ها را از هر نوع دستگاه ترکیب می کند تا واحدی را بدون معایب هر کدام ایجاد کند. با این ترکیب از مزایا، تقویت کننده های کلاس A/B تا حد زیادی بر بازار مصرف تسلط دارند.
راه حل در واقع در مفهوم بسیار ساده است. در جایی که کلاس B از یک دستگاه فشار کش استفاده می کند که هر نیمه از مرحله خروجی 180 درجه هدایت می کند، مکانیسم های کلاس A/B آن را تا 200-181 درجه افزایش می دهند. بنابراین، وجود دارداحتمال ایجاد "پارگی" در حلقه بسیار کمتر است، و بنابراین اعوجاج متقاطع تا جایی کاهش می یابد که اهمیتی ندارد.
تقویت کننده های قدرت صوتی شیر می توانند این تداخل را بسیار سریعتر جذب کنند. به لطف این خاصیت، صدا بسیار تمیزتر از دستگاه خارج می شود. مدل هایی از این ویژگی ها اغلب برای تغییر صدای گیتارهای آکوستیک و الکتریک استفاده می شود.
کافی است بگوییم که کلاس A/B به وعده خود عمل می کند، و به راحتی از ساختارهای کلاس A خالص در ~50-70% عملکرد دنیای واقعی بهتر عمل می کند. البته سطوح واقعی به میزان افست آمپلی فایر و همچنین مواد برنامه و سایر عوامل بستگی دارد. همچنین شایان ذکر است که برخی از طراحی‌های کلاس A/B در تلاش خود برای از بین بردن اعوجاج متقاطع با عملکرد در حالت کلاس A خالص تا توان چند وات، یک قدم جلوتر می‌روند. این مقداری راندمان را در سطوح پایین می‌دهد، اما تضمین می‌کند که تقویت‌کننده در صورت اعمال مقدار زیادی برق به کوره تبدیل نمی‌شود.
کلاس G و H
یک جفت طرح دیگر که برای بهبود کارایی طراحی شده اند. از نقطه نظر فنی، نه تقویت کننده های کلاس G و نه کلاس H رسما به رسمیت شناخته نمی شوند. در عوض، آنها تغییراتی در موضوع کلاس A/B با استفاده از سوئیچینگ ولتاژ باس و مدولاسیون باس هستند. در هر صورت، در شرایط کم تقاضا، سیستم از ولتاژ باس کمتری نسبت به تقویت کننده کلاس A/B مشابه استفاده می کند که به طور قابل توجهیمصرف برق را کاهش می دهد. هنگامی که شرایط توان بالا رخ می دهد، سیستم به صورت دینامیکی ولتاژ باس را افزایش می دهد (یعنی به گذرگاه ولتاژ بالا سوئیچ می کند) تا تغییرات گذرا با دامنه بالا را مدیریت کند.
ایراداتی نیز وجود دارد. مهمترین آنها هزینه بالا است. مدارهای سوئیچینگ شبکه اصلی از ترانزیستورهای دوقطبی برای کنترل جریان های خروجی استفاده می کردند و پیچیدگی و هزینه را اضافه می کردند. تقویت کننده های فرکانس صوتی لوله با کیفیت بالا از این نوع رایج هستند، اگرچه قیمت آنها از 50 هزار روبل شروع می شود. بلوک یک تکنیک حرفه ای برای کار روی صحنه یا ضبط در استودیو در نظر گرفته می شود. ترانزیستورها مشکل دارند. تحت بار طولانی، ممکن است برخی از آنها از کار بیفتند.
امروزه، اغلب با استفاده از ماسفت های با جریان بالا برای انتخاب یا تغییر راهنماها، قیمت تا حدودی کاهش می یابد. استفاده از ماسفت ها نه تنها کارایی را بهبود می بخشد و حرارت را کاهش می دهد، بلکه به قطعات کمتری نیز نیاز دارد (معمولاً یک دستگاه در هر نخ). علاوه بر هزینه تعویض باس، خود مدولاسیون، همچنین شایان ذکر است که برخی از تقویت کننده های کلاس G از دستگاه های خروجی بیشتری نسبت به طراحی های کلاس A/B معمولی استفاده می کنند.
یک جفت دستگاه در حالت معمولی A/B کار می کند که توسط شینه های ولتاژ پایین تغذیه می شود. در همین حال، یکی دیگر در حالت آماده به کار است تا به عنوان تقویت کننده ولتاژ عمل کند و فقط بسته به شرایط فعال می شود. تحمل بارهای بالا فقط کلاس های G و H،مرتبط با تقویت کننده های قدرتمند، جایی که افزایش راندمان نتیجه می دهد. طرح‌های جمع‌وجور همچنین ممکن است از توپولوژی‌های کلاس G/H بر خلاف A/B استفاده کنند، زیرا قابلیت تغییر به حالت کم مصرف به این معنی است که می‌توانند با هیت سینک کمی کوچک‌تر از بین بروند.
کلاس D
این نوع دستگاه به شما امکان می دهد سیستم های مدولار خود را ایجاد کنید. با کمک تجهیزات، پردازش با کیفیت بالا از کل جریان خروجی انجام می شود. طراحی تقویت کننده های قدرت فرکانس صوتی به شما این امکان را می دهد که سیستم چند رسانه ای خود را برای کار یا سرگرمی ایجاد کنید. با این حال، برخی از تفاوت های ظریف در اینجا وجود دارد. مبدل های کلاس D که اغلب به اشتباه به عنوان تقویت دیجیتال نامیده می شوند، تضمینی برای کارایی واحد هستند و در آزمایش واقعی به دستاوردهای بیش از 90 درصد می رسند.
ابتدا باید در نظر گرفت که چرا اگر "تقویت دیجیتال" نادرست است، این کلاس D است. این فقط حرف بعدی الفبا بود که کلاس C در سیستم های صوتی استفاده می شد. مهمتر از آن، چگونه می توان بازده 90% را به دست آورد. در حالی که تمام کلاس های تقویت کننده ذکر شده قبلاً دارای یک یا چند دستگاه خروجی هستند که به طور مداوم فعال هستند حتی زمانی که مبدل واقعاً در حالت آماده به کار است، واحدهای کلاس D به سرعت آنها را خاموش و روشن می کنند. این بسیار راحت است و استفاده از ماژول را فقط در لحظات مناسب ممکن می‌سازد.
به عنوان مثال، محاسبه تقویت کننده های صوتی کلاس T، که هستندپیاده سازی کلاس D Tripath، بر خلاف دستگاه اصلی، از فرکانس های سوئیچینگ در حد 50 مگاهرتز استفاده می کند. دستگاه های خروجی معمولاً با مدولاسیون عرض پالس کنترل می شوند. این زمانی است که امواج مربعی با عرض های مختلف توسط یک مدولاتور تولید می شود که سیگنال آنالوگ را برای پخش ارائه می دهد. با کنترل دقیق دستگاه های خروجی به این روش، کارایی 100% از نظر تئوری امکان پذیر است (اگرچه بدیهی است که در دنیای واقعی قابل دستیابی نیست).
با جستجو در دنیای تقویت کننده های صوتی کلاس D، می توانید به ماژول های کنترل شده آنالوگ و دیجیتال نیز اشاره کنید. این بلوک های کنترلی دارای یک سیگنال ورودی آنالوگ و یک سیستم کنترل آنالوگ هستند که معمولاً درجاتی از تصحیح خطای بازخوردی دارند. از سوی دیگر، تقویت‌کننده‌های کلاس تبدیل دیجیتال D از کنترل دیجیتالی استفاده می‌کنند که مرحله قدرت را بدون کنترل خطا تغییر می‌دهد. با توجه به بررسی های بسیاری از خریداران، این تصمیم نیز تایید می شود. با این حال، بخش قیمت در اینجا بسیار بالاتر است.
تحقیق تقویت‌کننده صوتی نشان داده است که کلاس D مبتنی بر آنالوگ دارای مزیت عملکردی نسبت به آنالوگ دیجیتال است، زیرا معمولاً امپدانس (مقاومت) خروجی کمتر و مشخصات اعوجاج بهبود یافته را ارائه می‌کند. این مقادیر اولیه سیستم را در حداکثر بار آن افزایش می دهد.
پارامترهای تقویت کننده های فرکانس صوتی بسیار بالاتر از پارامترهای مدل های اصلی است. باید درک کرد که چنین محاسباتی فقط برای ایجاد موسیقی در استودیو مورد نیاز است. برای خریداران عادی، اینهاویژگی ها را می توان نادیده گرفت.
معمولاً یک مدار L (سلف و خازن) بین تقویت کننده و بلندگوها قرار می گیرد تا نویز مربوط به عملکرد کلاس D را کاهش دهد. فیلتر از اهمیت بالایی برخوردار است. طراحی ضعیف می تواند کارایی، قابلیت اطمینان و کیفیت صدا را به خطر بیندازد. علاوه بر این، بازخورد پس از فیلتر خروجی مزایای خود را دارد. اگرچه طرح‌هایی که در این مرحله از بازخورد استفاده نمی‌کنند می‌توانند پاسخ خود را به یک امپدانس خاص تنظیم کنند، اما وقتی چنین تقویت‌کننده‌هایی دارای بار پیچیده هستند (یعنی یک بلندگو به جای مقاومت)، پاسخ فرکانسی می‌تواند بسته به بار روی بلندگو به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشد. بازخورد با ارائه پاسخی صاف به بارهای پیچیده، این مشکل را تثبیت می کند.
در پایان، پیچیدگی تقویت کننده های صوتی کلاس D مزایای خود را دارد. کارایی و در نتیجه وزن کمتر. از آنجایی که انرژی نسبتا کمی برای گرما صرف می شود، انرژی بسیار کمتری مورد نیاز است. به این ترتیب، بسیاری از تقویت کننده های کلاس D همراه با منابع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) استفاده می شوند. مانند مرحله خروجی، خود منبع تغذیه را می توان به سرعت روشن و خاموش کرد تا ولتاژ را تنظیم کند، که در نتیجه افزایش بازده بیشتر و توانایی کاهش وزن نسبت به منابع تغذیه سنتی آنالوگ/خطی ایجاد می شود.
در مجموع، حتی تقویت کننده های قدرتمند کلاس D می توانند تنها چند کیلوگرم وزن داشته باشند. نقطه ضعف منابع تغذیه SMPS در مقایسه با منابع خطی سنتی استکه اولی ها معمولا فضای زیادی برای سر ندارند.
تست‌ها و آزمایش‌های متعدد تقویت‌کننده‌های صوتی کلاس D با منابع تغذیه خطی در مقایسه با ماژول‌های SMPS نشان داده‌اند که واقعاً چنین است. هنگامی که دو تقویت کننده توان نامی را مدیریت می کردند، اما یکی با منبع تغذیه خطی می توانست سطوح توان دینامیکی بالاتری تولید کند. با این حال، طراحی‌های SMPS رایج‌تر می‌شوند و می‌توانید انتظار داشته باشید که نسل بعدی واحدهای کلاس D بهتری را با استفاده از اشکال مشابه در فروشگاه‌ها ببینید.
مقایسه بازده کلاس‌های AB و D
اگرچه با نزدیک شدن به حداکثر توان خروجی، راندمان تقویت‌کننده قدرت صوتی ترانزیستوری کلاس A/B افزایش می‌یابد، طراحی‌های کلاس D راندمان بالایی را در اکثر محدوده‌های کاری حفظ می‌کنند. در نتیجه، کارایی و کیفیت صدا به طور فزاینده ای به سمت آخرین بلوک متمایل می شوند.
استفاده از یک مبدل
هنگامی که هر یک از بلوک های فوق خارج از کلاس B به درستی پیاده سازی شوند، می توانند پایه یک تقویت کننده با وفاداری بالا را تشکیل دهند. جدای از مشکلات بالقوه عملکرد (که در درجه اول یک تصمیم طراحی هستند و نه کلاس خاص)، انتخاب نوع بلوک عمدتاً به هزینه در مقابل کارایی بستگی دارد.
در بازار امروز، تقویت کننده صوتی ساده کلاس A/B غالب است و دلیل خوبی هم دارد. این بسیار خوب کار می کند، نسبتا ارزان است، و اینراندمان برای کاربردهای کم مصرف (>200W) کاملاً کافی است. البته، از آنجایی که سازندگان مبدل سعی می کنند برای مثال، مونوبلاک 1000 واتی Emotiva XPR-1، به طرح های کلاس G/H و D روی آورند تا از تکرار آمپلی فایرهای خود به عنوان سیستم هایی که قادر به گرم کردن سریع تجهیزات هستند، اجتناب کنند. این در حالی است که در آن سوی بازار، طرفداران کلاس A هستند که می توانند به امید صدای تمیزتر، عدم کارایی دستگاه را ببخشند.
نتیجه
بالاخره، کلاس های مبدل لزوماً آنقدر مهم نیستند. البته تفاوت های واقعی وجود دارد، به خصوص در مورد هزینه، راندمان تقویت کننده و در نتیجه وزن. البته لوازم خانگی 500 واتی کلاس A ایده بدی هستند، مگر اینکه کاربر سیستم خنک کننده قدرتمندی داشته باشد. از سوی دیگر، تفاوت بین کلاس ها کیفیت صدا را تعیین نمی کند. در پایان، به توسعه و اجرای پروژه های خود می رسد. درک این نکته مهم است که مبدل‌ها تنها یک وسیله هستند که بخشی از سیستم صوتی است.
