Bộ khuếch đại âm thanh là một thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả một mạch tạo ra và khuếch đại một phiên bản của tín hiệu đầu vào của nó. Tuy nhiên, không phải tất cả các công nghệ chuyển đổi đều giống nhau vì chúng được phân loại theo cấu hình và phương thức hoạt động.
Trong điện tử, bộ khuếch đại nhỏ thường được sử dụng vì chúng có thể khuếch đại tín hiệu đầu vào tương đối nhỏ, chẳng hạn như từ cảm biến như máy nghe nhạc, thành tín hiệu đầu ra lớn hơn nhiều để điều khiển rơ le, đèn hoặc loa., v.v.
Có nhiều dạng mạch điện tử được phân loại như bộ khuếch đại, từ bộ chuyển đổi tín hiệu hoạt động và nhỏ đến bộ chuyển đổi xung và công suất lớn. Việc phân loại thiết bị phụ thuộc vào kích thước của tín hiệu, lớn hay nhỏ, cấu hình vật lý của nó và cách xử lý luồng đầu vào, tức là mối quan hệ giữa mức đầu vào và dòng điện chạy trong tải.
Giải phẫu thiết bị
Bộ khuếch đại tần số âm thanh có thể được xem như một chiếc hộp đơn giảnhoặc một khối có chứa một thiết bị, chẳng hạn như cảm biến lưỡng cực, FET hoặc hoạt động, có hai đầu vào và hai đầu ra (nối đất là chung). Hơn nữa, tín hiệu đầu ra lớn hơn nhiều do chuyển đổi trên thiết bị.
Một bộ khuếch đại tín hiệu lý tưởng sẽ có ba thuộc tính chính:
- Trở kháng đầu vào, hoặc (R IN).
- Điện trở đầu ra, hoặc (R OUT).
- Tăng, hoặc (A).
Cho dù mạch khuếch đại phức tạp đến đâu, một mô hình khối chung có thể được sử dụng để chứng minh mối quan hệ của ba đặc tính này.
Khái niệm chung
Bộ khuếch đại âm thanh chất lượng cao có thể khác nhau về hiệu suất. Mỗi loại có một chuyển đổi kỹ thuật số hoặc tương tự. Các mã được đặt để phân tách chúng.
Sự khác biệt tăng lên giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra được gọi là chuyển đổi. Độ lợi là một thước đo mức độ một bộ khuếch đại "biến đổi" một tín hiệu đầu vào. Ví dụ, nếu có mức đầu vào là 1 volt và mức đầu ra là 50 volt, thì chuyển đổi sẽ là 50. Nói cách khác, tín hiệu đầu vào đã được phát triển 50 lần. Bộ khuếch đại tần số âm thanh làm được điều đó.
Phép tính chuyển đổi chỉ đơn giản là tỷ lệ của đầu ra chia cho đầu vào. Hệ thống này không có đơn vị là tỷ số của nó, nhưng trong điện tử, ký hiệu A thường được sử dụng cho độ lợi. Sau đó, chuyển đổi được tính đơn giản là "đầu ra chia cho đầu vào".
Bộ chuyển đổi nguồn
Kính lúp nhỏBộ khuếch đại tín hiệu thường được gọi là bộ khuếch đại "điện áp" vì nó có xu hướng chuyển đổi đầu vào nhỏ thành điện áp đầu ra lớn hơn nhiều. Đôi khi cần phải có mạch thiết bị để điều khiển động cơ hoặc công suất loa và đối với những loại ứng dụng này, trong đó có dòng điện chuyển mạch cao, cần có bộ chuyển đổi công suất.
Đúng như tên gọi, nhiệm vụ chính của bộ khuếch đại công suất (hay còn gọi là bộ khuếch đại tín hiệu lớn) là cấp nguồn cho tải. Nó là tích của điện áp và dòng điện đặt vào tải có công suất đầu ra lớn hơn mức tín hiệu đầu vào. Nói cách khác, bộ chuyển đổi làm tăng công suất của loa, vì vậy loại mạch khối này được sử dụng trong các giai đoạn bên ngoài của bộ chuyển đổi âm thanh để điều khiển loa.
Nguyên lý hoạt động
Bộ khuếch đại âm tần hoạt động trên nguyên lý biến đổi nguồn điện một chiều lấy ra từ bộ nguồn thành tín hiệu điện áp xoay chiều cung cấp cho tải. Mặc dù chuyển đổi cao nhưng hiệu suất từ nguồn điện một chiều sang tín hiệu đầu ra điện áp xoay chiều nói chung là thấp.
Một khối lý tưởng mang lại cho thiết bị hiệu suất 100% hoặc ít nhất công suất IN sẽ bằng công suất OUT.
Phân chia giai cấp
Nếu người dùng đã từng xem thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại công suất âm thanh, họ có thể nhận thấy các loại thiết bị, thường được ký hiệu bằng chữ cái hoặchai. Các loại khối phổ biến nhất được sử dụng trong âm thanh gia đình tiêu dùng ngày nay là các giá trị A, A / B, D, G và H.
Các lớp này không phải là hệ thống phân loại đơn giản, mà là mô tả cấu trúc liên kết bộ khuếch đại, tức là cách chúng hoạt động ở cấp lõi. Mặc dù mỗi loại bộ khuếch đại đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng, nhưng hiệu suất của chúng (và cách đo các đặc tính cuối cùng) vẫn giống nhau.
Đó là chuyển đổi dạng sóng được gửi bởi thiết bị trước mà không gây nhiễu hoặc ít nhất là ít biến dạng nhất có thể.
Lớp A
So với các loại bộ khuếch đại công suất âm thanh khác sẽ được mô tả bên dưới, các mẫu Loại A là thiết bị tương đối đơn giản. Nguyên tắc hoạt động xác định là tất cả các khối đầu ra của bộ chuyển đổi phải trải qua một chu kỳ tín hiệu 360 độ hoàn chỉnh.
Class A cũng có thể được chia thành các bộ khuếch đại một đầu và bộ khuếch đại đẩy kéo. Đẩy / kéo khác với giải thích chính ở trên bằng cách sử dụng các thiết bị đầu ra theo cặp. Trong khi cả hai thiết bị đều chạy theo chu kỳ 360 độ đầy đủ, một thiết bị sẽ mang phần lớn tải trong phần dương của chu kỳ, trong khi thiết bị kia sẽ mang nhiều hơn trong chu kỳ âm.
Ưu điểm chính của mạch này là giảm độ méo so với các thiết kế một đầu, vì các biến động thứ tự đều được loại bỏ. Ngoài ra, thiết kế kéo đẩy Class A ít nhạy cảm hơn với tiếng ồn.
Vì những phẩm chất tích cực gắn liền với hiệu suất Class A, nó được coi là tiêu chuẩn vàng cho chất lượng âm thanh trong nhiều ứng dụng âm thanh. Tuy nhiên, những thiết kế này có một nhược điểm quan trọng - hiệu quả.
Yêu cầu đối với bộ khuếch đại âm thanh bóng bán dẫn Loại A phải luôn bật tất cả các thiết bị đầu ra. Hành động này dẫn đến sự mất mát đáng kể năng lượng, năng lượng này cuối cùng được chuyển hóa thành nhiệt. Điều này càng trở nên trầm trọng hơn bởi thực tế là các thiết kế Class A yêu cầu mức dòng tĩnh tương đối cao, là lượng dòng điện chạy qua các thiết bị đầu ra khi bộ khuếch đại tạo ra đầu ra bằng không. Tỷ lệ hiệu quả trong thế giới thực có thể theo thứ tự 15-35%, với các chữ số duy nhất có thể sử dụng nguồn nguyên liệu năng động cao.
Lớp B
Trong khi tất cả các cơ chế đầu ra trong bộ khuếch đại âm thanh lớp A mất 100% thời gian để hoạt động, các thiết bị lớp B sử dụng mạch đẩy kéo sao cho chỉ một nửa số thiết bị đầu ra đang dẫn điện bất kỳ lúc nào.
Một nửa bao phủ phần +180 độ của dạng sóng trong khi nửa còn lại bao phủ phần -180 độ. Do đó, các bộ khuếch đại Class B hiệu quả hơn đáng kể so với các bộ khuếch đại Class A của chúng, với mức tối đa lý thuyết là 78,5%. Với hiệu quả tương đối cao, Class B đã được sử dụng trong một số đầu dò PA chuyên nghiệp cũng như một số bộ khuếch đại đèn gia đình. Bất chấp họsức mạnh rõ ràng, cơ hội nhận được một khối loại B cho một ngôi nhà thực tế là bằng không. Một cuộc kiểm tra bộ khuếch đại âm thanh cho thấy nguyên nhân của điều này, được gọi là biến dạng phân tần.
Vấn đề về độ trễ trong chuyển giao giữa các thiết bị xử lý phần tích cực và tiêu cực của dạng sóng được coi là đáng kể. Không cần phải nói rằng sự biến dạng này có thể nghe được với số lượng đủ lớn và trong khi một số thiết kế Class B tốt hơn những thiết kế khác về mặt này, thì Class B nhận được ít sự công nhận từ những người đam mê âm thanh sạch.
Lớp A / B
Bộ khuếch đại âm thanh ống có thể được tìm thấy ở nhiều địa điểm hòa nhạc. Nó có hiệu suất cao và không quá nóng. Ngoài ra, các mô hình rẻ hơn nhiều so với nhiều khối kỹ thuật số. Nhưng cũng có những sai lệch. Một mô-đun như vậy có thể không hoạt động với tất cả các định dạng âm thanh. Do đó, tốt hơn là sử dụng thiết bị như một phần của khu phức hợp xử lý tín hiệu chung.
Class A / B kết hợp những gì tốt nhất của từng loại thiết bị để tạo ra một thiết bị mà không có nhược điểm của cả hai. Với sự kết hợp những ưu điểm này, bộ khuếch đại class A / B phần lớn chiếm lĩnh thị trường tiêu dùng.
Giải pháp thực sự khá đơn giản về mặt khái niệm. Trong trường hợp loại B sử dụng thiết bị kéo đẩy với mỗi nửa giai đoạn đầu ra dẫn 180 độ, cơ chế loại A / B tăng nó lên ~ 181-200 độ. Vì vậy, cóít có khả năng xảy ra "vết rách" trong vòng lặp và do đó độ méo chéo giảm xuống mức không quan trọng.
Bộ khuếch đại công suất âm thanhValve có thể hấp thụ nhiễu này nhanh hơn nhiều. Nhờ đặc tính này, âm thanh phát ra từ thiết bị sạch hơn rất nhiều. Các mô hình có đặc điểm này thường được sử dụng để biến đổi âm thanh của guitar acoustic và guitar điện.
Chỉ cần nói rằng Class A / B thực hiện đúng như lời hứa của nó, dễ dàng vượt qua các cấu trúc Class A thuần túy với hiệu suất ~ 50-70% trong thế giới thực. Tất nhiên, mức thực tế phụ thuộc vào mức độ bù của bộ khuếch đại, cũng như chất liệu chương trình và các yếu tố khác. Cũng cần lưu ý rằng một số thiết kế Class A / B tiến thêm một bước trong nhiệm vụ loại bỏ sự biến dạng chéo bằng cách hoạt động ở chế độ Class A thuần túy với công suất lên đến vài watt. Điều này mang lại một số hiệu quả ở mức thấp, nhưng đảm bảo rằng bộ khuếch đại không biến thành lò khi sử dụng một lượng lớn công suất.
Lớp G và H
Một cặp thiết kế khác được thiết kế để nâng cao hiệu quả. Từ quan điểm kỹ thuật, cả bộ khuếch đại lớp G và lớp H đều không được chính thức công nhận. Thay vào đó, chúng là các biến thể trên chủ đề Class A / B sử dụng chuyển mạch điện áp bus và điều chế bus tương ứng. Trong mọi trường hợp, trong điều kiện nhu cầu thấp, hệ thống sử dụng điện áp bus thấp hơn so với bộ khuếch đại A / B cùng loại, điều này đáng kểgiảm tiêu thụ điện năng. Khi điều kiện nguồn cao xảy ra, hệ thống sẽ tự động tăng điện áp bus (tức là chuyển sang bus cao áp) để xử lý quá độ biên độ cao.
Cũng có sai sót. Đứng đầu trong số đó là chi phí cao. Các mạch chuyển mạch mạng ban đầu sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực để điều khiển các luồng đầu ra, làm tăng thêm độ phức tạp và chi phí. Bộ khuếch đại tần số âm thanh ống chất lượng cao của loại này là phổ biến, mặc dù giá bắt đầu từ 50 nghìn rúp. Khối được coi là một kỹ thuật chuyên nghiệp để làm việc trên sân khấu hoặc thu âm trong phòng thu. Có vấn đề với bóng bán dẫn. Trong điều kiện tải kéo dài, một số trong số chúng có thể bị lỗi.
Ngày nay, giá thường được giảm ở một mức độ nào đó bằng cách sử dụng MOSFETs hiện tại cao để chọn hoặc thay đổi hướng dẫn. Việc sử dụng MOSFET không chỉ cải thiện hiệu quả và giảm nhiệt mà còn yêu cầu ít bộ phận hơn (thường là một thiết bị trên mỗi luồng). Ngoài chi phí chuyển mạch bus, bản thân việc điều chế, cũng cần lưu ý rằng một số bộ khuếch đại lớp G sử dụng nhiều thiết bị đầu ra hơn thiết kế loại A / B điển hình.
Một cặp thiết bị sẽ hoạt động ở chế độ A / B điển hình, được cấp nguồn bởi thanh cái điện áp thấp. Trong khi đó, chiếc còn lại ở chế độ chờ để hoạt động như một bộ tăng điện áp, chỉ được kích hoạt tùy theo tình huống. Chỉ chịu được tải cao cấp G và H,kết hợp với các bộ khuếch đại mạnh mẽ, nơi hiệu quả tăng lên được đền đáp. Các thiết kế nhỏ gọn cũng có thể sử dụng cấu trúc liên kết lớp G / H trái ngược với A / B vì khả năng chuyển sang chế độ năng lượng thấp có nghĩa là chúng có thể hoạt động với một bộ tản nhiệt nhỏ hơn một chút.
Lớp D
Loại thiết bị này cho phép bạn tạo hệ thống mô-đun của riêng mình. Với sự trợ giúp của thiết bị, quá trình xử lý chất lượng cao của toàn bộ luồng đi sẽ diễn ra. Thiết kế bộ khuếch đại công suất tần số âm thanh cho phép bạn tạo hệ thống đa phương tiện của riêng mình để làm việc hoặc giải trí. Tuy nhiên, có một số sắc thái ở đây. Thường được gọi nhầm là khuếch đại kỹ thuật số, bộ chuyển đổi lớp D đảm bảo hiệu suất đơn vị và đạt được mức tăng vượt quá 90% trong thử nghiệm thực tế.
Đầu tiên, cần xem xét lý do tại sao đây là lớp D nếu "khuếch đại kỹ thuật số" không chính xác. Nó chỉ là chữ cái tiếp theo trong bảng chữ cái, với lớp C được sử dụng trong hệ thống âm thanh. Quan trọng hơn là làm thế nào để đạt được hiệu quả 90% +. Trong khi tất cả các lớp khuếch đại được đề cập trước đây đều có một hoặc nhiều thiết bị đầu ra liên tục hoạt động ngay cả khi bộ chuyển đổi thực sự ở chế độ chờ, các đơn vị lớp D nhanh chóng tắt và bật chúng. Điều này khá thuận tiện và giúp bạn chỉ có thể sử dụng mô-đun vào những thời điểm thích hợp.
Ví dụ: tính toán bộ khuếch đại âm thanh lớp T, làViệc triển khai lớp D của Tripath, không giống như thiết bị cơ bản, sử dụng tần số chuyển mạch theo thứ tự là 50 MHz. Các thiết bị đầu ra thường được điều khiển bằng điều chế độ rộng xung. Đây là khi các sóng vuông có độ rộng khác nhau được tạo ra bởi một bộ điều chế để đưa ra tín hiệu tương tự để phát lại. Với việc kiểm soát chặt chẽ các thiết bị đầu ra theo cách này, về mặt lý thuyết là có thể đạt được hiệu suất 100% (mặc dù rõ ràng là không thể đạt được trong thế giới thực).
Đi sâu vào thế giới của bộ khuếch đại âm thanh hạng D, bạn cũng có thể tìm thấy đề cập đến các mô-đun điều khiển tương tự và kỹ thuật số. Các khối điều khiển này có một tín hiệu đầu vào tương tự và một hệ thống điều khiển tương tự, thường có một số mức độ sửa lỗi phản hồi. Mặt khác, bộ khuếch đại lớp D chuyển đổi kỹ thuật số sử dụng điều khiển kỹ thuật số, chuyển đổi giai đoạn công suất mà không cần kiểm soát lỗi. Quyết định này cũng nhận được sự đồng tình, theo đánh giá của nhiều người mua. Tuy nhiên, phân khúc giá ở đây cao hơn rất nhiều.
Nghiên cứu bộ khuếch đại âm thanh đã chỉ ra rằng lớp D định hướng tương tự có lợi thế về hiệu suất hơn loại tương tự kỹ thuật số, vì nó thường cung cấp trở kháng đầu ra thấp hơn (điện trở) và cải thiện cấu hình méo. Điều này làm tăng các giá trị ban đầu của hệ thống khi tải tối đa.
Các thông số của bộ khuếch đại âm tần cao hơn nhiều so với các mẫu cơ bản. Cần hiểu rằng những tính toán như vậy chỉ được yêu cầu để tạo ra âm nhạc trong phòng thu. Đối với những người mua bình thường, nhữngcó thể bỏ qua các đặc điểm.
Thường là mạch L (cuộn cảm và tụ điện) được đặt giữa bộ khuếch đại và loa để giảm tiếng ồn liên quan đến hoạt động của lớp D. Bộ lọc có tầm quan trọng lớn. Thiết kế kém có thể ảnh hưởng đến hiệu quả, độ tin cậy và chất lượng âm thanh. Ngoài ra, phản hồi sau bộ lọc đầu ra cũng có những ưu điểm của nó. Mặc dù các thiết kế không sử dụng phản hồi ở giai đoạn này có thể điều chỉnh phản ứng của chúng theo một trở kháng cụ thể, khi các bộ khuếch đại như vậy có tải phức tạp (tức là loa chứ không phải điện trở), đáp ứng tần số có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào tải trên loa. Phản hồi sẽ ổn định vấn đề này bằng cách cung cấp phản ứng mượt mà đối với các tải phức tạp.
Cuối cùng, sự phức tạp của bộ khuếch đại âm thanh Class D cũng có những lợi ích của nó. Hiệu quả và kết quả là giảm trọng lượng. Vì nhiệt lượng tiêu hao tương đối ít nên cần ít năng lượng hơn. Do đó, nhiều bộ khuếch đại lớp D được sử dụng cùng với bộ nguồn chế độ chuyển mạch (SMPS). Giống như giai đoạn đầu ra, bản thân bộ nguồn có thể được bật và tắt nhanh chóng để điều chỉnh điện áp, dẫn đến tăng hiệu suất hơn nữa và khả năng giảm trọng lượng so với bộ nguồn tương tự / tuyến tính truyền thống.
Tổng hợp lại, ngay cả những bộ khuếch đại hạng D mạnh mẽ cũng có thể chỉ nặng vài kg. Nhược điểm của bộ nguồn SMPS so với bộ nguồn tuyến tính truyền thống làmà trước đây thường không có nhiều khoảng không.
Thử nghiệm và nhiều thử nghiệm đối với bộ khuếch đại âm thanh lớp D với bộ nguồn tuyến tính so với mô-đun SMPS đã chỉ ra rằng thực tế đúng như vậy. Khi hai bộ khuếch đại đang xử lý công suất định mức, nhưng một bộ có nguồn điện tuyến tính có thể tạo ra mức công suất động cao hơn. Tuy nhiên, thiết kế SMPS đang trở nên phổ biến hơn và bạn có thể mong đợi thấy các đơn vị Class D thế hệ tiếp theo tốt hơn sử dụng hình dạng tương tự trong các cửa hàng.
So sánh hiệu quả của các lớp AB và D
Mặc dù hiệu suất của bộ khuếch đại công suất âm thanh transistorized Class A / B tăng lên khi đạt đến mức công suất đầu ra tối đa, nhưng thiết kế Class D vẫn duy trì hiệu suất cao trên hầu hết các phạm vi hoạt động. Do đó, hiệu quả và chất lượng âm thanh ngày càng nghiêng về khối cuối cùng.
Sử dụng một đầu dò
Khi được triển khai đúng cách, bất kỳ khối nào ở trên nằm ngoài lớp B đều có thể tạo thành cơ sở của bộ khuếch đại có độ trung thực cao. Bên cạnh những cạm bẫy về hiệu suất tiềm ẩn (chủ yếu là quyết định thiết kế hơn là dành riêng cho lớp), việc lựa chọn loại khối chủ yếu là vấn đề chi phí so với hiệu quả.
Trên thị trường ngày nay, bộ khuếch đại âm thanh Class A / B đơn giản chiếm ưu thế và vì lý do chính đáng. Nó hoạt động rất tốt, tương đối rẻ vàhiệu quả khá phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp (>200W). Tất nhiên, khi các nhà sản xuất bộ chuyển đổi cố gắng đẩy mạnh phong cách, chẳng hạn như monoblock 1000W Emotiva XPR-1, họ đang chuyển sang thiết kế lớp G / H và D để tránh sao chép bộ khuếch đại của họ như là hệ thống có khả năng làm nóng thiết bị nhanh chóng. Trong khi đó, ở phía bên kia thị trường, có những người hâm mộ hạng A có thể tha thứ cho sự kém hiệu quả của thiết bị với hy vọng âm thanh trong trẻo hơn.
Kết quả
Sau cùng, các lớp chuyển đổi không nhất thiết phải quan trọng. Tất nhiên có những khác biệt thực tế, đặc biệt là khi nói đến chi phí, hiệu suất bộ khuếch đại và do đó là trọng lượng. Tất nhiên, thiết bị loại A 500W là một ý tưởng tồi, tất nhiên, trừ khi người dùng có hệ thống làm mát mạnh mẽ. Mặt khác, sự khác biệt giữa các lớp không quyết định chất lượng âm thanh. Cuối cùng, nó phụ thuộc vào việc phát triển và thực hiện các dự án của riêng bạn. Điều quan trọng là phải hiểu rằng bộ chuyển đổi chỉ là một thiết bị nằm trong hệ thống âm thanh.
