Усилитель мощности звука (или усилитель мощности ) усиливает маломощные электронные аудиосигналы , такие как сигнал от радиоприемника или звукоснимателя электрогитары , до уровня, достаточно высокого для управления громкоговорителями или наушниками . Усилители мощности звука встречаются во всех видах звуковых систем, включая звукоусиление , громкоговорители , домашние аудиосистемы и усилители музыкальных инструментов , такие как гитарные усилители . Это последний электронный этап в типичной цепочке воспроизведения звука перед отправкой сигнала на громкоговорители.
Предшествующие каскады в такой цепи — это маломощные аудиоусилители, которые выполняют такие задачи, как предварительное усиление сигнала, выравнивание , микширование различных входных сигналов . Входами также могут быть любые источники звука, такие как проигрыватели пластинок , проигрыватели компакт-дисков , цифровые аудиоплееры и кассетные проигрыватели . Большинству усилителей мощности звука требуются эти низкоуровневые входы, которые являются линейными .
В то время как входной сигнал на усилитель мощности звука, например, сигнал от электрогитары, может измерять всего несколько сотен микроватт , его выход 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 большой системы звукоусиления рок-концерта. В то время как усилители мощности доступны в виде автономных устройств, как правило, нацеленных на рынок аудиофилов hi-fi (нишевый рынок) аудиоэнтузиастов и профессионалов в области систем звукоусиления, многие аудиопродукты бытовой электроники , такие как интегрированный усилитель , приемник , радиочасы, бумбоксы и телевизоры, имеют как предварительный усилитель, так и усилитель мощности, размещенные в одном шасси.
Аудиоусилитель был изобретен около 1912 года Ли де Форестом . Это стало возможным благодаря изобретению им первого практического усилительного электрического компонента, триодной вакуумной лампы (или «клапана» в британском английском) в 1907 году. Триод был трехконтактным устройством с управляющей сеткой, которая могла модулировать поток электронов от нити накала к пластине. Триодный вакуумный усилитель использовался для создания первого AM-радио . [2] Ранние усилители мощности звука были основаны на вакуумных лампах, и некоторые из них достигли особенно высокого качества звука (например, усилитель Уильямсона 1947–9).
Усилители мощности звука на основе транзисторов стали практичными с широкой доступностью недорогих транзисторов в конце 1960-х годов. С 1970-х годов большинство современных усилителей звука основаны на твердотельных транзисторах, особенно на биполярных транзисторах (BJT) и полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Усилители на основе транзисторов легче по весу, более надежны и требуют меньшего обслуживания, чем ламповые усилители .
MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами. [3] [4] [5] [6] [7] [8] был адаптирован в мощный MOSFET для аудио Дзюнъити Нисидзавой в Университете Тохоку в 1974 году. [9] Вскоре мощные MOSFET стали производиться Yamaha для своих hi-fi аудиоусилителей. JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba также начали производство усилителей с мощными MOSFET в 1974 году . [9] В 1977 году Hitachi представила LDMOS (боковой диффузный MOS), тип мощного MOSFET. Hitachi была единственным производителем LDMOS в период с 1977 по 1983 год, в течение которого LDMOS использовались в усилителях мощности звука таких производителей, как HH Electronics (серия V) и Ashly Audio , и использовались для музыкальных и публичных систем оповещения . [9] Усилители класса D обрели успех в середине 1980-х годов, когда стали доступны недорогие, быстро переключающиеся МОП-транзисторы. [10] Многие транзисторные усилители используют МОП-транзисторы в своих силовых секциях, поскольку их кривая искажений больше похожа на ламповую . [11]
В 2010-х годах все еще есть энтузиасты аудио, музыканты (особенно электрогитаристы , электробасисты , исполнители на органе Hammond и электропианино Fender Rhodes , среди прочих), звукорежиссеры и музыкальные продюсеры , которые предпочитают ламповые усилители и то, что воспринимается как «более теплый» ламповый звук .
Ключевые параметры проектирования для усилителей мощности звука — это частотная характеристика , усиление , шум и искажение . Они взаимозависимы; увеличение усиления часто приводит к нежелательному увеличению шума и искажений. Хотя отрицательная обратная связь фактически снижает усиление, она также уменьшает искажения. Большинство усилителей звука — это линейные усилители, работающие в классе AB .
До 1970-х годов большинство усилителей использовали вакуумные лампы . В 1970-х годах ламповые усилители все чаще заменялись усилителями на основе транзисторов , которые были легче по весу, более надежными и требовали меньшего обслуживания. Тем не менее, ламповые предусилители по-прежнему продаются на нишевых рынках , например, у домашних любителей hi-fi , звукорежиссеров и музыкальных продюсеров (которые используют ламповые предусилители в студийных записях для «разогрева» микрофонных сигналов), а также у электрогитаристов, электробасистов и исполнителей на органе Хаммонда , из которых меньшинство продолжает 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 наименьшим искажением, исполнители на электрических инструментах в таких жанрах, как блюз , рок-музыка и хэви-метал , среди прочих, используют ламповые усилители, потому что им нравится естественный перегруз, который создают ламповые усилители при сильном нажатии.
Усилитель класса D , который намного эффективнее усилителей класса AB, в настоящее время широко используется в аудиотехнике бытовой электроники , басовых усилителях и системах звукоусиления , поскольку усилители класса D намного легче и выделяют гораздо меньше тепла.
Поскольку современные цифровые устройства, включая CD и DVD-плееры, радиоприемники и кассетные деки, уже обеспечивают «ровный» сигнал на линейном уровне, предусилитель не нужен, кроме как для регулировки громкости и выбора источника. Одной из альтернатив отдельному предусилителю является простое использование пассивных регуляторов громкости и переключения, иногда интегрированных 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)
Последним этапом усиления после предусилителей является выходной каскад, где к транзисторам или лампам предъявляются самые высокие требования. По этой причине выбор конструкции, сделанный вокруг выходного устройства (для однотактных выходных каскадов, таких как однотактные триодные усилители) или устройств (для двухтактных выходных каскадов), таких как класс работы выходных устройств, часто принимается за описание всего усилителя мощности. Например, усилитель класса B, вероятно, будет иметь только мощные выходные устройства, работающие с отсечкой в течение половины каждого цикла, в то время как другие устройства (такие как дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и, возможно, даже драйверные транзисторы) работают в классе A. В бестрансформаторном выходном каскаде устройства по существу последовательно соединены с источником питания и выходной нагрузкой (например, громкоговорителем), возможно, через какой-то большой конденсатор и/или малые сопротивления.
В течение нескольких лет после появления твердотельных усилителей их воспринимаемый звук не обладал превосходным качеством звука лучших ламповых усилителей (см. ламповый аудиоусилитель ). Это привело аудиофилов к мысли, что «ламповый звук» или ламповый звук имеет внутреннее качество, обусловленное самой технологией вакуумных ламп. В 1970 году Матти Отала опубликовал статью о происхождении ранее не наблюдавшейся формы искажения: переходного интермодуляционного искажения (TIM), [12] позже также названного другими искажением, вызванным нарастанием частоты (SID). [13] Было обнаружено, что искажение TIM возникает при очень быстром увеличении выходного напряжения усилителя. [14]
TIM не проявлялся при измерениях установившегося синусоидального тона, что помогало скрыть его от инженеров-конструкторов до 1970 года. Проблемы с искажением TIM возникают из-за сниженной частотной характеристики разомкнутого контура твердотельных усилителей. Дальнейшие работы Оталы и других авторов нашли решение для искажения TIM, включая увеличение скорости нарастания , уменьшение полосы пропускания предусилителя и введение схемы компенсации задержки во входной каскад усилителя. [15] [16] [17] В высококачественных современных усилителях отклик разомкнутого контура составляет не менее 20 кГц, что отменяет искажение TIM.
Следующим шагом в продвинутом проектировании стала теорема Баксандалла, созданная Питером Баксандаллом в Англии. [18] Эта теорема ввела концепцию сравнения соотношения между входным искажением и выходным искажением усилителя. Эта новая идея помогла инженерам-проектировщикам аудиотехники лучше оценить процессы искажения в усилителе.
Важные приложения включают в себя системы оповещения , театральные и концертные системы звукоусиления и бытовые системы, такие как стереосистемы или домашние кинотеатры . Усилители инструментов, включая гитарные усилители и усилители электрических клавишных инструментов, также используют усилители мощности звука. В некоторых случаях усилитель мощности для инструментального усилителя интегрирован в единую «голову» 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 установку с отдельными предусилителями, монтируемыми в стойку , эквалайзерами и усилителем мощности, установленным в 19-дюймовом дорожном кейсе .
Усилители мощности доступны в виде автономных блоков, которые используются энтузиастами hi-fi -аудио и проектировщиками систем оповещения (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 настройке звукоусиления, зависит от размера места проведения мероприятия. Небольшая кофейня может иметь один усилитель мощности, управляющий двумя динамиками PA. Ночной клуб может иметь несколько усилителей мощности для основных динамиков, один или несколько усилителей мощности для мониторных динамиков (направленных в сторону группы) и дополнительный усилитель мощности для сабвуфера. Концерт на стадионе может иметь большое количество усилителей мощности, установленных в стойках. Большинство потребительских электронных звуковых продуктов, таких как телевизоры , бум-боксы , звуковые системы домашних кинотеатров , электронные клавиатуры Casio и Yamaha , «комбо» гитарные усилители и автомобильные стереосистемы имеют усилители мощности, встроенные в шасси основного продукта.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)