На тихой громкости вокал звучит как-то зернисто и сухо, а стоит прибавить, и всё становится нормально. Такой эффект бывает у плохо настроенных усилителей, и корень у него один: как выходные транзисторы делят между собой работу. В классе B это деление самое экономное и самое капризное.
Как работает класс B: два грузчика на одной двери
Представь двух грузчиков у двери. Один только толкает её наружу, другой только тянет внутрь. Пока дверь болтается широко, всё отлично: работает то один, то другой, и никто не стоит без дела. Но когда нужно чуть-чуть покачать дверь около закрытого положения, начинается заминка: один уже отпустил, второй ещё не взялся. Дверь на мгновение повисает.
У транзистора то же самое. Он начинает открываться не с нуля, а с напряжения на переходе база-эмиттер около 0,6–0,7 В у кремниевого биполярного транзистора. Пока входной сигнал в этой зоне, не работает ни один из них, и на выходе ноль. Каждый раз, когда сигнал переходит через ноль, в нём появляется «ступенька».
Почему это слышно?
Ступенька - это нелинейное искажение, которое рождает нечётные гармоники высоких порядков. Коварство в том, что ширина ступеньки постоянна в вольтах. На большом сигнале она теряется, на маленьком занимает заметную долю синуса. Поэтому у класса B искажения растут при уменьшении громкости, а не при увеличении, как мы привыкли.
Посчитаем на примере. Пусть «мёртвая зона» ±0,6 В на выходе. На 1 Вт в 4 Ом амплитуда синуса √(2 × 1 × 4) ≈ 2,8 В, и мёртвая зона съедает больше 20% размаха. На 100 Вт амплитуда ≈ 28 В, там всего около 2%. Обратная связь эту ступеньку частично давит, но не до конца, особенно на высоких частотах, где запаса петли меньше.
А в SQ как раз важны тихие детали: дыхание вокалиста, хвосты реверберации. Именно там класс B и шершавит.
Зачем тогда он нужен?
Ради КПД. Раз ток покоя нулевой, усилитель тратит энергию только когда играет. Теоретический максимум КПД класса B на синусе π/4 ≈ 78,5%, против 25–50% у класса A. Отсюда и компромисс, который стал стандартом:
| Режим | Ток покоя | Переходные искажения | КПД на полной мощности |
|---|---|---|---|
| B | ноль | есть | до 78,5% |
| AB | небольшой, выбирают при настройке | почти нет | чуть ниже B |
| A | большой, постоянный | нет | 25–50% |
В чистом классе B звуковые усилители почти не делают. Транзисторам дают маленький ток смещения, чтобы оба чуть-чуть проводили возле нуля, и ступенька исчезает. Это класс AB, на нём построено большинство линейных автоусилителей. А ещё идея B живёт в классах G и H и в выходных ключах класса D.
Как её увидеть на замере?
На спектре синуса 1 кГц на малой мощности переходные искажения видны как лес нечётных гармоник: 3, 5, 7, 9 кГц и выше, причём затухают они медленно. У клиппинга картина похожая, но появляется он на большой мощности. Хороший тест: снять THD на 1 Вт и на 10 кГц. Если на тихом уровне цифра хуже, чем на полной мощности, это почти наверняка ступенька. Слышно её лучше всего на тихой акустической музыке, где детали записи и так лежат недалеко от порога слышимости.
Что это значит для машины?
- Если слушаешь тихо, смотри на THD и на полной мощности, и на 1 Вт. У хорошего усилителя цифры на малой мощности не хуже.
- Ток покоя AB-усилителя зависит от температуры. Производитель выставляет его с запасом, не лезь внутрь с отвёрткой, если не понимаешь схему.
- Зернистость на тихой громкости может быть не только от ступеньки. Проверь сначала шумы, уровни в процессоре и настройку гейна.
Про класс B в чате чаще всего спрашивают в сравнении с AB и про нагрев, вот короткие ответы.
В классе B ток покоя выходных транзисторов равен нулю, а в классе AB им дают небольшой ток смещения, и оба транзистора чуть-чуть проводят возле нуля. За счёт этого у AB пропадает ступенька при переходе сигнала через ноль, то есть переходные искажения. Цена вопроса: немного больше нагрев без сигнала и КПД чуть ниже, чем у чистого B.
Теоретический КПД класса B на синусе ограничен π/4, это около 78,5 %. Каждый транзистор работает половину периода, и даже при максимальном размахе сигнала часть напряжения питания падает на самом транзисторе в те моменты, когда синус ещё не дошёл до пика. На реальной музыке, где средний уровень намного ниже пикового, КПД линейного усилителя заметно меньше теоретического.
Почти нет: у класса B ток покоя нулевой, и без сигнала выходные транзисторы энергию не тратят. Этим он отличается от класса A, который греется постоянно, даже в тишине. Усилитель класса AB без сигнала тёплый, но не горячий, потому что ток смещения у него небольшой. Если линейный усилитель сильно греется без музыки, стоит проверить ток покоя в сервисе.
Обычно на сабвуфере переходные искажения слышны меньше, чем во фронте. Сабвуфер редко играет на очень малом уровне, а обратная связь на низких частотах давит ступеньку сильнее, потому что запас петли там больше. Чувствительнее всего к ступеньке тихие детали на средних и высоких частотах. Поэтому для фронта в SQ стоит смотреть THD на 1 Вт, выбирая среди усилителей в каталоге.
Большинство линейных автоусилителей построены в классе AB, а чистый класс B в звуковых усилителях почти не встречается. Всё больше моделей, особенно моноблоки и компактные многоканальники, делают в классе D ради КПД и меньшего нагрева. Идея двухтактного каскада класса B при этом живёт и там: в выходных ключах класса D и в классах G и H.
Классы усилителей чаще всего обсуждают на этапе выбора железа, но слышно разницу на тихих треках из судейских дисков. Как слушают такие детали на соревнованиях, описано в шаге «Оценка звучания и соревнования».
Кажется, что твой усилитель «сыпет» на малой громкости? Расскажи в чате EBAEVSQ, какая модель и что слышишь, поищем причину вместе.
Источники
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
- P. Horowitz, W. Hill, «The Art of Electronics», 3rd ed., Cambridge University Press, 2015
- IEC 60268-3, «Sound system equipment. Part 3: Amplifiers»