Усилитель мощности звука (или усилитель мощности ) усиливает электронные аудиосигналы малой мощности , такие как сигнал радиоприемника или звукоснимателя электрогитары , 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 .
В то время как 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 аудиопродукты бытовой электроники , такие как интегрированный усилитель , ресивер , радиочасы, бумбоксы а в телевизорах и предусилитель, и усилитель мощности находятся в одном шасси.
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 .
МОП -транзистор , изобретенный Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, [3] был адаптирован в силовой МОП-транзистор для аудио Дзюнъити Нисидзавой из Университета Тохоку в 1974 году. [4] Вскоре силовые МОП-транзисторы были изготовлены компанией Yamaha для своих Hi-Fi усилители звука. JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba также начали производство усилителей с мощными МОП-транзисторами в 1974 году. [4] В 1977 году Hitachi представила LDMOS (МОП-транзисторы с боковой диффузией), тип 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, потому что их кривая искажений больше похожа на ламповую . [6]
В 2010-х годах все еще есть аудиоэнтузиасты, музыканты (особенно электрогитаристы , электрические басисты , органисты Hammond и электропианино Fender Rhodes , среди прочих), звукоинженеры и музыкальные продюсеры , которые предпочитают ламповые усилители и то, что воспринимается как более «теплый» ламповый звук .
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, электробасистов 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 аудиопродуктах бытовой электроники , усилителях баса и устройствах систем звукоусиления , поскольку усилители класса D намного легче по весу и выделяют гораздо меньше тепла.
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 .
_FIIO_Fujiyama_for_smartphone_etc._headphones.jpg/1280px-Micro_amplifier_(booster)_FIIO_Fujiyama_for_smartphone_etc._headphones.jpg)
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.
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 искажения: переходного интермодуляционного искажения (TIM), [7] позже также названного другими другими искажениями, вызванными нарастанием напряжения (SID). [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 искажением TIM возникают из-за пониженной частотной характеристики транзисторных усилителей с разомкнутым контуром. Дальнейшие работы Оталы и других авторов нашли решение проблемы искажений TIM, включая увеличение скорости нарастания напряжения , уменьшение полосы пропускания частоты 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 между входными искажениями и выходными искажениями усилителя. Эта новая идея помогла инженерам-аудиодизайнерам лучше оценить процессы искажений в усилителе.
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 интегрирован 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 , 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 , звуковые системы для домашнего кинотеатра , электронные клавиатуры Casio и Yamaha , «комбинированные» гитарные усилители и автомобильные стереосистемы, имеют усилители мощности, встроенные в корпус основного продукта.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)