Zesilovač výkonu zvuku - Audio power amplifier

Audio stereofonní výkonový zesilovač vyrobený společností Unitra
Vnitřní pohled na integrovaný zvukový zesilovač Mission Cyrus 1 Hi Fi (1984)

Audio výkonový zesilovač (nebo zesilovač ) je elektronický zesilovač , který zesiluje nízké pohonu elektronické zvukové signály , jako například signál z rozhlasového přijímače nebo elektrickou kytaru vyzvednutí na úroveň, která je dostatečně vysoká pro pohon reproduktory nebo sluchátka . Zesilovače výkonu zvuku lze nalézt ve všech typech zvukových systémů, včetně zesílení zvuku , veřejného ozvučení a domácích zvukových systémů a zesilovačů hudebních nástrojů, jako jsou zesilovače kytar . Je to poslední elektronická fáze v typickém řetězci přehrávání zvuku, než je signál odeslán do reproduktorů.

Předcházející etapy takové řetězce jsou nízké výkonové audio zesilovače, které provádějí úkoly, jako preamplifikace signálu (to je zejména spojeno s rekordní točny signály, mikrofon signály a elektrický nástroj signály z malé dodávky, jako je elektrická kytara a elektrický bas) , ekvalizace (např. nastavení basů a výšek), ovládání tónů , míchání různých vstupních signálů nebo přidání elektronických efektů , jako je reverb . Tyto vstupy mohou být také libovolný počet zvukových zdrojů, jako jsou gramofony , CD přehrávače , digitální audio přehrávače a kazetové přehrávače . Většina audio výkonových zesilovačů vyžaduje tyto nízkoúrovňové vstupy, které jsou liniové .

Zatímco vstupní signál do výkonového zesilovače zvuku, jako je signál z elektrické kytary, může měřit pouze několik stovek mikrowattů , jeho výstup může být několik wattů pro malá zařízení spotřební elektroniky, jako jsou hodinová rádia , desítky nebo stovky wattů pro domácí stereo systém několik tisíc wattů pro zvukový systém nočního klubu nebo desítky tisíc wattů pro velký systém zesílení rockového koncertu . Zatímco výkonové zesilovače jsou k dispozici v samostatných jednotkách, které jsou obvykle zaměřeny na trh hi-fi audiofilů (specializovaný trh) nadšenců zvuku a profesionálů v oblasti systému zesílení zvuku , většina zvukových produktů pro spotřební elektroniku , jako jsou radiobudíky , boomboxy a televizory, má relativně malý výkon zesilovače, které jsou integrovány do produktu.

Dějiny

Prototypový zesilovač De Forest z roku 1914.

Zesilovač zvuku vynalezl kolem roku 1912 Lee de Forest , což umožnil jeho vynález první praktické zesilovací elektrické součásti, triodové vakuové trubice (nebo „ventilu“ v britské angličtině) v roce 1907. Trioda byla tříkoncové zařízení s řídicí mřížka, která může modulovat tok elektronů z vlákna na desku. Triodový vakuový zesilovač byl použit k výrobě prvního AM rádia . Dřívější výkonové zesilovače zvuku byly založeny na elektronkách a některé z nich dosahovaly pozoruhodně vysoké kvality zvuku (např. Zesilovač Williamson z let 1947–199).

Výkonové zvukové zesilovače založené na tranzistorech se staly praktickými díky široké dostupnosti levných tranzistorů na konci 60. let. Od sedmdesátých let je většina moderních zvukových zesilovačů založena na polovodičových tranzistorech, zejména na bipolárním spojovacím tranzistoru (BJT) a tranzistoru s kovovým oxidem a polovodičovým polem (MOSFET). Tranzistorové zesilovače jsou lehčí, spolehlivější a vyžadují méně údržby než elektronkové zesilovače .

MOSFET , vynalezený Mohamed Atalla a Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959 byl přestavěn na napájení MOSFET pro zvuk od Jun-ichi Nishizawa na Tohoku University v roce 1974. Power MOSFETy byly brzy vyráběný firmou Yamaha pro své hi-fi audio zesilovače. JVC , Pioneer Corporation , Sony a Toshiba také začaly vyrábět zesilovače s výkonovými MOSFETy v roce 1974. V roce 1977 společnost Hitachi představila LDMOS ( laterally diffused MOS), typ výkonového MOSFET. Hitachi byl jediným výrobcem LDMOS v letech 1977 až 1983, přičemž během této doby byl LDMOS používán v audio výkonových zesilovačích od výrobců jako HH Electronics (řada V) a Ashly Audio a byl používán pro hudební a rozhlasové systémy . Zesilovače třídy D se staly úspěšnými v polovině 80. let, kdy byly k dispozici levné a rychle přepínatelné MOSFETy. Mnoho tranzistorových zesilovačů používá ve svých výkonových částech zařízení MOSFET , protože jejich křivka zkreslení je více podobná trubici .

V roce 2010 stále existují zvukoví nadšenci, hudebníci (zejména elektrické kytaristy , elektrické basisty , hráče na varhany Hammond a hráče na elektrický klavír Fender Rhodes ), zvukoví inženýři a hudební producenti, kteří dávají přednost elektronkovým zesilovačům, a to, co je vnímáno jako „teplejší“ zvuk trubice .

Konstrukční parametry

Tři audio výkonové zesilovače namontované na stojanu používané v systému zesílení zvuku .

Klíčovými konstrukčními parametry výkonových zesilovačů zvuku jsou frekvenční odezva , zisk , šum a zkreslení . Jsou na sobě vzájemně závislé; rostoucí zisk často vede k nežádoucímu zvýšení šumu a zkreslení. Zatímco negativní zpětná vazba ve skutečnosti snižuje zisk, snižuje také zkreslení. Většina zvukových zesilovačů jsou lineární zesilovače pracující ve třídě AB .

Až do sedmdesátých let většina zesilovačů používala elektronky . Během sedmdesátých let byly zesilovače trubek stále více nahrazovány zesilovači založenými na tranzistorech , které byly lehčí, spolehlivější a měly nižší údržbu. Trubkové předzesilovače se přesto stále prodávají na specializovaných trzích , například u domácích hi-fi nadšenců, zvukových inženýrů a hudebních producentů (kteří používají trubkové předzesilovače ve studiových nahrávkách k „zahřátí“ mikrofonních signálů) a elektrických kytaristů, elektrických basistů a Hammondových varhan hráči, z nichž menšina nadále používá předzesilovače, výkonové zesilovače a jednotky efektů . Zatímco nadšenci hi-fi a zvukoví inženýři, kteří ve studiu provádějí živý zvuk nebo sledují stopy, obvykle hledají zesilovače s nejnižším zkreslením, hráči na elektrické nástroje v žánrech, jako je blues , rocková hudba a heavy metal , mimo jiné používají elektronkové zesilovače, protože jako přirozený overdrive, který zesilovače trubice produkují, když jsou silně tlačeny.

Class-D zesilovač , který je mnohem účinnější než třída AB zesilovačů je nyní široce používán v spotřební elektroniky audio produktů, basové zesilovače a ozvučení systém zařízení, jako zesilovače třídy D jsou mnohem lehčí a produkují mnohem méně tepla.

Filtry a předzesilovače

Vzhledem k tomu, že moderní digitální zařízení, včetně přehrávačů CD a DVD, rádiových přijímačů a magnetofonů, již poskytují „plochý“ signál na úrovni linky, není předzesilovač nutný jinak než jako ovládání hlasitosti a volič zdroje. Jednou z alternativ samostatného předzesilovače je jednoduše použít pasivní ovládání hlasitosti a přepínání, někdy integrované do výkonového zesilovače pro vytvoření integrovaného zesilovače .

Výkonové stupně

Konečným stupněm zesílení je po předzesilovačích výstupní stupeň, kde jsou na tranzistory nebo elektronky kladeny nejvyšší nároky. Z tohoto důvodu jsou možnosti návrhu provedené kolem výstupního zařízení (pro jednofázové výstupní stupně, například v triodových zesilovačích s jedním zakončením ) nebo zařízení (pro výstupní stupně push-pull ), jako je Třída provozu výstupních zařízení se často bere jako popis celého výkonového zesilovače. Například zesilovač třídy B bude pravděpodobně mít pouze poloviční výkon každého zařízení s vysokým výkonem, zatímco ostatní zařízení (například diferenciální zesilovač, napěťový zesilovač a případně i budicí tranzistory) pracují ve třídě A. beztransformátorový koncový stupeň , zařízení jsou v podstatě v sérii s napájením a výstupním zatížením (například reproduktorem), případně prostřednictvím velkého kondenzátoru a / nebo malého odporu.

Další vývoj

Po několik let po zavedení polovodičových zesilovačů neměl jejich vnímaný zvuk vynikající zvukovou kvalitu nejlepších ventilových zesilovačů (viz zesilovač ventilů ). To vedlo audiofily k přesvědčení, že „zvuk trubice“ nebo zvuk ventilu má vlastní kvalitu díky samotné technologii vakuové trubice. V roce 1970 Matti Otala publikoval článek o původu dříve nepozorované formy zkreslení: přechodné intermodulační zkreslení (TIM), které ostatní později nazývají také zkreslení vyvolané zabitím. Bylo zjištěno, že ke zkreslení TIM dochází při velmi rychlém zvyšování výstupního napětí zesilovače.

TIM se neobjevil při měření sinusového tónu v ustáleném stavu, což ho pomohlo skrýt před konstruktéry před rokem 1970. Problémy se zkreslením TIM pramení ze snížené frekvenční odezvy otevřené smyčky zesilovačů v pevné fázi. Další práce Otala a dalších autorů našli řešení pro zkreslení TIM, včetně zvýšení rychlosti přeběhu , snížení šířky pásma předzesilovače a vložení kompenzačního obvodu zpoždění do vstupního stupně zesilovače. Ve vysoce kvalitních moderních zesilovačích je odezva otevřené smyčky nejméně 20 kHz, čímž se ruší zkreslení TIM.

Dalším krokem v pokročilém designu byla Baxandallova věta, kterou vytvořil Peter Baxandall v Anglii. Tato věta představila koncept porovnání poměru mezi vstupním zkreslením a výstupním zkreslením zesilovače. Tato nová myšlenka pomohla konstruktérům zvukových návrhů lépe vyhodnotit procesy zkreslení v zesilovači.

Aplikace

Pyle dvoukanálový výkonový zesilovač

Mezi důležité aplikace patří systémy veřejného ozvučení , divadelní a koncertní ozvučovací systémy a domácí systémy, jako je stereofonní systém nebo systém domácího kina . Přístrojové zesilovače včetně kytarových zesilovačů a zesilovačů elektrických klávesnic také používají zvukové výkonové zesilovače. V některých případech je výkonový zesilovač pro nástrojový zesilovač integrován do jediné „hlavy“ zesilovače, která obsahuje předzesilovač, ovládací prvky tónu a elektronické efekty. Tyto komponenty lze namontovat do dřevěné reproduktorové skříně a vytvořit tak „kombinovaný zesilovač“. Hudebníci s jedinečným potřebám výkon a / nebo nutnost velmi silným zesílení může vytvořit vlastní nastavení s samostatných rackových předzesilovači, ekvalizéry a výkonový zesilovač namontované v 19" silniční případu .

Výkonové zesilovače jsou k dispozici v samostatných jednotkách, které používají nadšenci hi-fi zvuku a návrháři systémů veřejného ozvučení (systémy PA) a systémů zesílení zvuku . Uživatel hi-fi výkonových zesilovačů může mít stereofonní výkonový zesilovač pro řízení levého a pravého reproduktoru a jednokanálový (mono) výkonový zesilovač pro řízení subwooferu . Počet výkonových zesilovačů použitých v nastavení zesílení zvuku závisí na velikosti místa konání. Malá kavárna může mít jediný výkonový zesilovač pohánějící dva PA reproduktory. Noční klub může mít několik výkonových zesilovačů pro hlavní reproduktory, jeden nebo více Zesilovače pro monitorů (směřující do pásma) a přídavným zesilovačem pro subwoofer. Koncert na stadionu může mít velký počet výkonových zesilovačů namontovaných v regálech. Většina zvukových produktů pro spotřební elektroniku , jako jsou televizory , boom boxy , zvukové systémy pro domácí kina , elektronické klávesnice Casio a Yamaha , „kombinované“ kytarové zesilovače a autorádia, mají výkonové zesilovače integrované uvnitř šasi hlavního produktu.

Viz také

Reference