Когда люди говорят об усилителях звука, они обычно думают о классических устройствах, в которых сигнал плавно усиливается по наклонной плоскости. Но усилитель класса D работает по принципу, который тысячи раз в секунду включает и выключает питание, а не о плавном подъёме. Из-за этого его часто называют «цифровым» усилителем, хотя это не всегда правильно.
В центре такого усилителя находится высокоскоростной переключатель, который преобразует исходный звуковой сигнал в серию коротких электрических импульсов, а не напрямую усиливает его. Этот процесс похож на моргание лампочки: если моргать очень быстро, меняя длительность вспышки, можно передать сложную информацию, в нашем случае музыку, если моргать очень быстро.
Основное волшебство происходит на выходе, где эта цепочка импульсов проходит через небольшой фильтр и превращается в мощный звуковой сигнал, который можно использовать для движения динамиков. Ключевое преимущество этого метода — невероятная эффективность. Это связано с тем, что силовые транзисторы класса D почти никогда не греются, что позволяет создавать мощные усилители, которые помещаются на ладони и не требуют больших радиаторов.
Таким образом, класс D быстро завоевал мир. Он присутствует в наших смартфонах, портативных колонках, сабвуферах и современных домашних кинотеатрах, предлагая сочетание мощности, компактности и качества, которое сложно достичь другими способами.
Вместо того, чтобы плавно изменять сигнал, усилитель класса D быстро включается и выключается, как мигающая лампочка, передавая звук через импульсы. Благодаря этому он греется намного меньше, потребляет меньше энергии и может быть очень мощным, а на выходе выдает чистый звук благодаря специальному фильтру.
История
В мире Hi-Fi класс D имеет самую сложную судьбу. Существует мнение, что его развитие было вызвано общественным мнением, а не объективными преимуществами. Все началось с того, что классу D сразу же дали неприятный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». По своей сути это абсолютно аналоговое устройство, хотя некоторые его принципы действительно напоминают работу цифровых схем.
Возраст — еще одно заблуждение, связанное с классом D. Есть мнение, что класс D был создан недавно и является результатом развития цифровых технологий. На самом деле класс D имеет долгую историю. Его первые прототипы были разработаны еще в эпоху радиоламп. В 1951 году наш соотечественник Дмитрий Агеев предложил схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении). Английский ученый Алекс Ривз работал над реализацией подобного устройства примерно в это же время. В 1955 году их коллега из Франции Роже Шарбонье впервые использовал термин «класс D», создавая аналогичную схему.
В самом начале, когда изыскания были в основном теоретическими, судьба класса D казалась безнадежной; его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако при первой коммерческой реализации в 1964 году было обнаружено множество недостатков, наиболее важным из которых было отсутствие возможности достичь по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе, существовавшей в то время.
В семидесятых годах такие гиганты индустрии Hi-Fi, как Infinity и Sony, предприняли попытки вывести усилители класса D на рынок. По той же причине первый план провалился и второй. После того, как в восьмидесятых годах стали производиться серийно транзисторы, подходящие по быстродействию и классу точности, качество усилителей класса D стало реальностью. В наши дни усилители класса D можно найти во множестве различных устройств, от смартфонов и бытовой техники до студийного оборудования и высококлассных систем.
Принцип работы
В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.
Схема класса D основана на генераторе несущей частоты СВЧ-импульсов со скоростью сотен МГц и устройстве, которое модулирует эти импульсы в соответствии с формой входящего аналогового сигнала. В этом случае все просто. Сигнал, модифицированный, представляет собой импульсы с одинаковой амплитудой, но разной продолжительности, которые усиливаются парой симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется самый простой LC-фильтр, который демодулирует усиленный сигнал и отсекает несущую частоту и связанный с ней высокочастотный шум.
Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.
В этом режиме от транзистора требуется только быстрое реагирование на изменение уровня сигнала, а его поведение на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, этот режим сильно улучшает энергоэффективность усилителя, поскольку теоретически его КПД может достигать 100%.
Схожесть модулированных аналоговых и цифровых сигналов — второй наиболее очевидный вопрос. В большинстве случаев это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать цифровой сигнал на его вход, а не аналоговый». Схема модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D очень напоминает процесс модуляции АЦП при оцифровке звука; однако принцип модуляции отличается от того, который используется в формате PCM.
Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей класса D используют обычную схему ЦАП, а аналоговый выход передает сигнал на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным входящим сигналом для интегрированных усилителей класса D.
Несмотря на это, есть некоторые исключения, которые, если рассмотреть их более подробно, лишь дополняют стандартную схемотехнику класса D, не изменяя общую картину. Еще будучи разработчиком NAD, известный Питер Лингдорф успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ, не используя традиционные методы цифроаналогового преобразования. Эта технология была известна как Direct Digital, что означает «прямое усиление цифрового сигнала».
Таким образом, протяженность и сложность звукового тракта были уменьшены, и в подобной схеме единственное цифроаналоговое преобразование было сделано непосредственно перед акустическими клеммами. Однако следует отметить, что такой усилитель должен иметь такой же классический входной каскад, как у традиционных усилителей класса D, если он будет работать с аналоговым сигналом.
Технология прямого усиления «цифры» еще не стала широко распространенной в настоящее время, возможно, из-за того, что г-н Лингдорф неправильно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать все секреты своим коллегам. Однако не так давно подобная стратегия была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем.
Плюсы
Основным преимуществом усилителей класса D, с которым началась история с модуляцией сигнала, является энергоэффективность. Это дает прирост КПД, который может быть сравним только с переходом от класса А к классам В и АВ, как в теоретических, так и в реальных цифрах, а все достижения класса G и других кажутся довольно ненадежными.
Когда транзистор работает в импульсном режиме, он половину времени находится в полностью закрытом состоянии, что означает, что он не потребляет никакой энергии. Когда он включается, транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.
В конечном итоге, хотя теоретически они гарантируют 100% КПД, в реальной жизни они обеспечивают преимущества в диапазоне от 90 до 95 процентов. Кроме того, радиаторы очень малого размера, поскольку нагрев транзисторов потребляет всего один процент энергии. Усилитель класса АВ потребует радиаторов, занимающих одну или обе боковые стенки корпуса, а усилитель класса D потребует кусочка алюминия размером в один или два спичечных.
То же самое относится к размеру платы усилителя мощности класса D: даже если плата собирается на дискретных элементах, а не на микросхемах, она значительно компактнее. В конце концов, учитывая мощность модели, усилители класса D имеют меньшую себестоимость. Несмотря на это, последнее больше относится к DIY-проектам, поскольку производители предпочитают экономить деньги на улучшении качества звучания и других усовершенствованиях, поскольку в классе D действительно есть что улучшить.
Минусы
Хотя класс D имеет много преимуществ, он не завоевал рынок Hi-Fi из-за своих слабых сторон, которые для многих ценителей качественного звука важнее энергоэффективности. Само по себе наличие высокочастотного генератора в схеме может привести к электромагнитным помехам, которые могут негативно повлиять на звучание самого усилителя и на работу других частей звукового тракта.
В индустрии Hi-Fi и High End, где все важно, такие эффекты не приветствуются. Поэтому инженеры вынуждены улучшать фильтрующие схемы и использовать другие методы, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.
Характерная особенность усилителей класса D заключается в том, что качество и характер звучания сильно зависят от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Конечно, плохие блоки питания и усилители класса АВ не справятся с этой проблемой, но именно в усилителях класса D эта проблема
Особенности
Описание преимуществ и недостатков схемотехники класса D дает совершенно недвусмысленные подсказки для разработчиков, которые хотят получить от усилителей максимально качественный звук.
Разработчики используют две стратегии для решения проблемы питания усилителей класса D. Одна из них является проверенной стратегией, включающей использование классических линейных блоков питания с огромными тороидальными трансформаторами и другими классическими решениями. Однако меньшинство разработчиков следуют другому пути. Они могут создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества, которые способны дать фору самым мощ
Что касается работы усилителя класса D, то его схемотехника обеспечивает значительно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это обеспечивает стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, а также меньше искажений, вялой атаки или смазывания фронтов, а самое главное — усилитель имеет одинаковую способность.
Практика
Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.
Предварительный усилитель питается от линейного блока питания, а его тороидальный трансформатор имеет многократный запас мощности, чтобы не повлиять на динамику и чистоту звучания. Таким образом, в одном корпусе сочетаются два подхода: традиционный предварительный усилитель и современный усилитель мощности.
Все это сильно улучшено, как это обычно делают премиум-модели, уделив особое внимание мелким деталям, таким как омедненное шасси, улучшенная виброразвязка, сокращенные пути сигнала, симметричная топология плат и тщательный выбор деталей по параметрам.
Следовательно, у нас есть аппарат, едва ли не самый совершенный с технической точки зрения, с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при нагрузке 4 Ом. Однако любые претензии на совершенство в области звука должны быть проверены на практике.
Звук
Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.
В первую очередь это «мaрантцовское» звучание проявляется в излишней интеллектуальности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время джаз, вокал и классическая музыка в любом составе звучат очень живо и естественно. Усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, имели очень похожее, возможно, даже чуть более приторное и красивое звучание. Это свидетельствует о том, что звучание усилителей мощности класса D нейтрально.
Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.
Благодаря тому, что усилитель имеет надлежащее сочетание мощности и коэффициента демпфирования, даже при самой сложной нагрузке и высокой громкости нижние ноты контрабаса воспроизводились совершенно точно и без гула, передача ощущения вибрирующей струны и отклика на эту вибрацию деки инструмента.
Так работает усилитель класса D, технология, которая изменила представление о мощности и эффективности. Вместо того, чтобы плавно усиливать звук, он превращает его в серию импульсов, которые затем фильтруются, возвращая звук к чистой музыке. Это простой, но гениальный метод.
Такие усилители очень популярны в повседневной жизни, особенно в портативных колонках, автомобильных аудиосистемах и мощных субвуферах, потому что они не так греются, как их классические аналоги, и они очень компактны.
Сегодня класс D — это уже не просто способ экономить заряд батареи, а технология, претендующая на высший аудиофильский уровень. Современные модели показывают, что высокая эффективность может идти рука об руку с детальным, динамичным и честным звуком. Эта «не такая, как все» архитектура из узкоспециализированного решения превратилась в один из основных двигателей прогресса в области звука.
