Усилитель мощности звука - Audio power amplifier

«Усилитель мощности» перенаправляется сюда. Не следует путать с Усилитель мощности RF.
Аудио стерео усилитель мощности производства Unitra
Внутренний вид интегрированного аудиоусилителя Mission Cyrus 1 Hi Fi (1984 г.)[1]

An усилитель мощности звука (или же усилитель мощности) является электронный усилитель что усиливает маломощные электронные звуковые сигналы например, сигнал от радиоприемник или электрогитара подбирать до уровня, достаточно высокого для вождения музыкальные колонки или же наушники. Усилители мощности звука можно найти во всех звуковых системах, включая звукоусиление, публичный адресс и домашнее аудио системы и музыкальные инструментальные усилители подобно гитарные усилители. Это последний электронный этап типичного воспроизведения звука. цепь перед отправкой сигнала на громкоговорители.

Предыдущие ступени в такой цепочке представляют собой усилители звука малой мощности, которые выполняют такие задачи, как предварительное усиление сигнала (особенно это связано с проигрыватель пластинок сигналы, микрофон сигналы и сигналы электрических инструментов от звукоснимателей, таких как электрогитара и бас-гитара), выравнивание (например, регулировка низких и высоких частот), регуляторы тона, смешивание различных входных сигналов или же добавление электронных эффектов Такие как реверберация. Входами также может быть любое количество источников звука, например проигрыватели, CD проигрыватели, цифровые аудиоплееры и кассетные плееры. Для большинства усилителей мощности звука требуются эти низкоуровневые входы, которые линейный уровень.

Входной сигнал усилителя мощности звука, такой как сигнал электрогитары, может составлять всего несколько сотен. микроватты, его выходная мощность может составлять несколько ватт для небольших устройств бытовой электроники, например радиочасы, десятки или сотни ватт за домашняя стереосистема, несколько тысяч ватт за ночной клуб звуковая система или десятки тысяч ватт для большого рок-концерта система звукоусиления. Хотя усилители мощности доступны в виде отдельных блоков, обычно они предназначены для Hi-Fi рынок аудиофилов (нишевый рынок) энтузиастов аудио и система звукоусиления профессионалов, большинство бытовая электроника звуковые продукты, такие как радиочасы, бумбоксы и телевизоры имеют относительно небольшие усилители мощности, встроенные в шасси основного продукта.

История

Прототип аудиоусилителя Де Фореста 1914 года.

Усилитель звука был изобретен примерно в 1912 г. Ли де Форест, что стало возможным благодаря его изобретению первого практического усилительного электрического компонента, триод вакуумная труба (или «клапан» на британском английском) в 1907 году. триод представлял собой трехполюсное устройство с управляющей сеткой, которое могло модулировать поток электронов от нити к пластине. Триод вакуумный усилитель был использован для создания первого AM радио.[2] Ранние усилители мощности звука были основаны на электронных лампах, и некоторые из них обеспечивали заметно высокое качество звука (например, Усилитель Williamson 1947-9 гг.).

Усилители мощности звука на базе транзисторы стало практичным с появлением в конце 1960-х годов недорогих транзисторов. С 1970-х годов большинство современных усилителей звука основаны на твердое состояние транзисторы, особенно биполярный переходной транзистор (BJT) и полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (МОП-транзистор). Усилители на базе транзисторов легче по весу, надежнее и требуют меньшего обслуживания, чем ламповые усилители.

В МОП-транзистор, изобретенный Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 г.,[3] был адаптирован в силовой MOSFET для аудио Дзюн-ичи Нисидзава в Университет Тохоку в 1974 г.[4] Силовые МОП-транзисторы вскоре были изготовлены Ямаха для них Hi-Fi усилители звука. JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba также начал производство усилителей с силовыми МОП-транзисторами в 1974 году.[4] В 1977 г. Hitachi представил LDMOS (боковой диффузионный МОП), тип силового МОП-транзистора. Hitachi был единственным производителем LDMOS в период с 1977 по 1983 год, когда LDMOS использовался в усилителях мощности звука таких производителей, как HH Electronics (Серия V) и Эшли Аудио, и использовались для музыки и системы громкой связи.[4] Усилители класса D добились успеха в середине 1980-х, когда стали доступны недорогие полевые МОП-транзисторы с быстрой коммутацией.[5] Многие транзисторные усилители используют полевые МОП-транзисторы в своих мощность разделы, потому что их искажение кривая больше трубчатый.[6]

В 2010-е еще есть аудиоэнтузиасты, музыканты (особенно электрогитаристы, электрические басисты, Орган Хаммонда игроки и Fender Rhodes электрическое пианино плееры, среди прочего), звукорежиссеры и музыкальные продюсеры кто предпочитает ламповые усилители, и что воспринимается как «потеплее» ламповый звук.

Расчетные параметры

Три монтируемых в стойку усилителя мощности звука, используемые в система звукоусиления.

Основные конструктивные параметры усилителей мощности звука: частотный отклик, прирост, шум, и искажение. Они взаимозависимы; увеличение усиления часто приводит к нежелательному увеличению шума и искажений. Пока негативный отзыв фактически уменьшает усиление, это также уменьшает искажения. Большинство аудиоусилителей представляют собой линейные усилители, работающие в класс AB.

До 1970-х годов большинство усилителей были ламповыми, в которых использовались вакуумные трубки. В 1970-х ламповые усилители все чаще заменялись на транзистор усилители на основе, которые были легче по весу, более надежными и менее требовательными. Тем не менее, есть еще нишевые рынки потребителей, которые продолжали использовать ламповые усилители и ламповые предусилители в 2010-х годах, например, в домашних условиях Hi-Fi энтузиасты, аудио инженеры и музыкальные продюсеры (которые используют ламповые предусилители в студийных записях для «разогрева» сигналов микрофона) и электрогитаристы, электробасисты и Орган Хаммонда плееры, меньшинство которых продолжают использовать ламповые предусилители, ламповые усилители мощности и ламповые блоки эффектов. В то время как энтузиасты Hi-Fi и звукорежиссеры, занимающиеся живым звуком или мониторингом треков в студии, обычно ищут усилители с наименьшими искажениями, музыканты на электрических инструментах в таких жанрах, как блюз, рок музыка и тяжелая музыка Среди прочего, используйте ламповые усилители, потому что им нравится естественный перегруз, который создают ламповые усилители при сильном нажатии.

В 2000-е гг. Усилитель класса D, который намного более эффективен, чем усилители класса AB, широко используется в бытовая электроника аудио продукты, басовые усилители и система звукоусиления шестерни, так как усилители класса D намного легче по весу и выделяют гораздо меньше тепла.

Фильтры и предусилители

Поскольку современные цифровые устройства, включая проигрыватели компакт-дисков и DVD, радиоприемники и магнитофоны, уже обеспечивают «ровный» сигнал на линейном уровне, предусилитель не нужен, кроме как в качестве регулятора громкости и селектора источника. Одна альтернатива отдельному предусилителю - просто использовать пассивные регуляторы громкости и переключения, иногда интегрированные в усилитель мощности, чтобы сформировать интегрированный усилитель.

Выходные каскады мощности

Последним каскадом усиления, после предусилителей, является выходной каскад, где самые высокие требования предъявляются к транзисторам или лампам. По этой причине выбор конструкции был сделан в отношении устройства вывода (для несимметричных выходных каскадов, например, в несимметричный триод усилители) или устройства (для тяни-Толкай выходные каскады), такие как Класс эксплуатации Выходных устройств часто принимают за описание всего усилителя мощности. Например, усилитель класса B, вероятно, будет иметь только выходные устройства высокой мощности, отключенные на половину каждого цикла, в то время как другие устройства (такие как дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и, возможно, даже транзисторы драйвера) работают в классе A. бестрансформаторный выходной каскад, устройства по существу включены последовательно с источником питания и выходом нагрузка (например, громкоговоритель), возможно, через большой конденсатор и / или малое сопротивление.

Дальнейшие разработки

В течение нескольких лет после появления полупроводниковых усилителей, их воспринимаемый звук не обладал превосходным качеством звука лучших ламповых усилителей (см. ламповый усилитель звука ). Это привело аудиофилы поверить в этот "ламповый звук" или звук клапана имел внутреннее качество благодаря самой технологии электронных ламп. В 1970 г. Матти Отала опубликовал статью о происхождении ранее не наблюдаемой формы искажения: переходной интермодуляционные искажения (ТИМ),[7] позже также называется искажение, вызванное нарастанием (SID) другими.[8] Было обнаружено, что искажения TIM возникают при очень быстром увеличении выходного напряжения усилителя.[9]

TIM не появлялся при измерениях синусоидального тона в установившемся режиме, что помогало скрыть его от инженеров-проектировщиков до 1970 года. Проблемы с искажением TIM возникают из-за пониженной частотной характеристики разомкнутой цепи твердотельных усилителей. Дальнейшие работы Отала и других авторов нашли решение для искажения TIM, включая увеличение скорость нарастания, уменьшение полосы частот предусилителя и включение схемы компенсации запаздывания во входной каскад усилителя.[10][11][12] В современных высококачественных усилителях частота отклика разомкнутого контура составляет не менее 20 кГц, что исключает искажение TIM.

Следующим шагом в усовершенствованном дизайне была теорема Баксандалла, созданная Питером Баксандаллом в Англии.[13] Эта теорема ввела понятие сравнения отношения между входным искажением и выходным искажением усилителя. Эта новая идея помогла инженерам-проектировщикам звука лучше оценить процессы искажения в усилителе.

Приложения

Пайл двухканальный усилитель мощности

Важные приложения включают публичный адресс системы театрально-концертные системы звукоусиления, и бытовые системы, такие как стерео или же система домашнего кинотеатра. Инструментальные усилители включая гитарные усилители и электрические клавишные усилители также используйте усилители мощности звука. В некоторых случаях усилитель мощности для инструментального усилителя интегрирован в одну «головку» усилителя, которая содержит предусилитель, регуляторы тембра и электронные эффекты. Эти компоненты могут быть установлены в деревянном корпусе динамика для создания «комбоусилителя». Музыканты с уникальными потребностями в исполнении и / или потребностью в очень мощном усилении могут создать индивидуальную настройку с отдельными монтаж в стойку предусилители, эквалайзеры и усилитель мощности, установленные в 19-дюймовом дорожный случай.

Усилители мощности доступны в виде отдельных блоков, которые используются Hi-Fi аудио энтузиасты и дизайнеры системы громкой связи (Системы громкой связи) и системы звукоусиления. Пользователь усилителей мощности Hi-Fi может иметь стереофонический усилитель мощности для управления левым и правым динамиками и одноканальный усилитель мощности «моноблок» для управления усилителем мощности. сабвуфер. Количество усилителей мощности, используемых в системе звукоусиления, зависит от размера помещения. Маленький Кофейня может иметь один усилитель мощности, управляющий двумя динамиками PA. А ночной клуб может иметь несколько усилителей мощности для основных динамиков, один или несколько усилителей мощности для мониторные динамики (указывает на полосу) и дополнительный усилитель мощности для сабвуфера. Концерт на стадионе может иметь большое количество усилителей мощности, установленных в стойках. Наиболее бытовая электроника звуковые продукты, такие как Телевизоры, стрелы, домашний кинотеатр звуковые системы, Casio и Yamaha электронные клавиатуры, "комбо" гитарные усилители и автомобильные стереосистемы имеют усилители мощности, встроенные в шасси основного продукта.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-04-24. Получено 2011-01-16.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) Cyrus Audio: Архив продуктов: Cyrus One
  2. ^ http://nobelprize.org/educational_games/physics/transistor/history/ Транзистор в век электроники
  3. ^ "Переосмыслить плотность мощности с помощью GaN". Электронный дизайн. 21 апреля 2017 г.. Получено 23 июля 2019.
  4. ^ а б c Дункан, Бен (1996). Усилители мощности аудио высокого качества. Эльзевир. стр.177–8, 406. ISBN  9780080508047.
  5. ^ Дункан, Бен (1996). Усилители мощности аудио высокого качества. Newnes. С. 147–148. ISBN  9780750626293.
  6. ^ Флиглер, Ричи; Эйче, Джон Ф. (1993). Амперы! Другая половина рок-н-ролла. Hal Leonard Corporation. ISBN  9780793524112.
  7. ^ Отала, М. (1970). «Переходные искажения в транзисторных усилителях мощности звука». IEEE Transactions по аудио и электроакустике. 18 (3): 234–239. Дои:10.1109 / TAU.1970.1162117. S2CID  13952562.
  8. ^ Уолтер Дж. Юнг, Марк Л. Стивенс и Крейг С. Тодд (июнь 1979 г.), «Обзор SID и TIM», Аудио
  9. ^ «Модификации схемотехники для минимизации переходных интермодуляционных искажений в аудиоусилителях», Матти Отала, Журнал Общества инженеров аудио, Том 20 № 5, июнь 1972 г.
  10. ^ Распространение скорости изменения сигнала фонографа, Ламмасниеми, Йорма; Ниеминен, Кари, Журнал Общества аудиоинженеров, Том. 28 # 5, май 1980.
  11. ^ «Психоакустический порог обнаружения переходных интермодуляционных искажений», Петри-Ларми, М .; Отала, М .; Ламмасниеми, J. Journal of Audio Engineering Society, Том 28, № 3, март 1980 г.
  12. ^ Обсуждение практических особенностей конструкции, которые могут вызывать или уменьшать ограничение скорости нарастания и переходную интермодуляцию в аудиоусилителях, также можно найти, например, в главе 9 в Джон Линсли Худ «Искусство линейной электроники» (Баттерворт-Хайнеманн, Оксфорд, 1993).
  13. ^ «Конструкция звукового усилителя мощности», Питер Баксандалл. Журнал Wireless World, февраль 1979 г.