Praktyczny przewodnik po klasach pracy wzmacniaczy audio

Czym powinien kierować się miłośnik sprzętu audio przy wyborze wzmacniacza? Gdyby na tak postawione pytanie można było udzielić prostej i zwięzłej odpowiedzi, pewnie nikt nie zawracałby sobie głowy testami i odsłuchami. Przyjmijmy jednak, że mamy już pewne rozeznanie w temacie, a z długiej listy dostępnych na rynku modeli chcemy wybrać kilka, może kilkanaście konstrukcji, którym chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej. W pierwszej kolejności przyjdą nam do głowy dość oczywiste pytania. Czy bardziej skłaniamy się ku purystycznym konstrukcjom analogowym czy piecykom z bogatym wyposażeniem? Czy szukamy wzmacniacza lampowego, tranzystorowego czy hybrydowego? Zwrócimy uwagę na gniazda i funkcje, moc wyjściową, a być może i inne parametry, jak pasmo przenoszenia, zniekształcenia, odstęp sygnału od szumu czy współczynnik tłumienia. W pewnym momencie pojawi się jednak kolejne fundamentalne pytanie - w jakiej klasie powinien pracować nasz nasz wymarzony wzmacniacz? Zdecydujemy się na purystyczną konstrukcję klasy A, bardziej wydajny układ klasy AB, a może nowoczesną integrę lub końcówkę mocy klasy D? Co jeśli trafimy na coś bardziej egzotycznego, jak na przykład klasa AA, XD lub V? Co jeśli w ogóle nie mamy pojęcia o co chodzi, na czym polegają różnice między tymi klasami i co może to dla nas oznaczać? Cóż, nie pozostaje nam nic innego, jak poświęcić trochę czasu na zgłębienie tego zagadnienia, wrócić do tematu z większymi zasobami wiedzy i zbadać jak teoria sprawdza się w praktyce.

Czym jest klasa pracy wzmacniacza? Najprościej można powiedzieć, że jest to swego rodzaju system, w jakim wykorzystujemy nasze elementy wzmacniające - lampy lub tranzystory. W fachowej terminologii klasę pracy wzmacniacza wyznacza to, jaką część sygnału - mającego postać sinusoidy - przewodzi pojedynczy element wzmacniający. Inaczej mówiąc - jak dużo obowiązków mu przydzielamy. Różnice między klasami pracy definiują wiele ważnych parametrów wzmacniacza, z których z punktu widzenia elektronika najważniejsza jest sprawność, a więc możliwa do uzyskania moc przy jak najniższym zużyciu energii elektrycznej, ale także ilość generowanych zniekształceń czy stopień skomplikowania całej konstrukcji. Z punktu widzenia audiofila - no właśnie... Chodzi przede wszystkim o jakość brzmienia. Ale nie tylko. Dla potencjalnego klienta, podobnie jak dla elektronika, oddawana moc czy poziom zniekształceń także się liczą, choć niektórzy - w zależności od własnych preferencji i posiadanego systemu - będą w stanie pogodzić się na przykład ze słabszymi wynikami w tabeli danych technicznych jeśli w zamian otrzymają dopracowany, przekonujący i wciągający na długie godziny dźwięk.

Klasy, które na pewno warto znać

Klasa A

Jedni ją kochają, inni nienawidzą. Zwolennicy cenią muzykalność czy lampowy czar tych konstrukcji, a przeciwnicy żalą się na wysokie zużycie energii, generowanie dużej ilości ciepła czy niezbyt kompaktowe wymiary. Bez zagłębiania się w szczegóły konstrukcyjne można powiedzieć, że klasa A wiąże się ze stałym przepływem prądu spoczynkowego przez tranzystory lub lampy - bez względu na to, czy podawany jest na nie sygnał. Tranzystory lub lampy w klasie A są ustawione tak, aby przewodziły pełny okres sinusoidy. Wiąże się to niestety z bardzo niską sprawnością takiego układu. W teorii powinna ona wynosić 50%, jednak w rzeczywistości można raczej osiągnąć wynik rzędu 20-25%, a to sugeruje wysokie rachunki za prąd. Najprościej mówiąc, w klasie A - bez względu na to, czy słuchamy muzyki, czy akurat robimy sobie przerwę, z sieci zawsze pobierany jest bardzo dużo prądu, (w zależności od mocy wyjściowej wzmacniacza). Dlatego w tego typu konstrukcjach radiatory odprowadzające ciepło z tranzystorów muszą być duże. Podczas pracy często osiągają one temperaturę 50-60 stopni. Do tego dochodzi zwykle duży transformator i masywna obudowa. W efekcie czasami mamy do czynienia z prawdziwą bestią o masie 50 kg. Na rynku można jednak znaleźć mniejsze wzmacniacze pracujące w klasie A lub - jeszcze częściej - konstrukcje pracujące w takim trybie do pewnego poziomu głośności. Aby ograniczyć zużycie energii, często tej klasy konstrukcje parowane są z kolumnami o wysokiej skuteczności. Dzięki temu wzmacniacze o mocy 20-30 W w zupełności wystarczają do nagłośnienia pomieszczenia. Za najbardziej purystyczne i audiofilskie uważa się urządzenia pracujące w klasie A w układzie single-ended, a więc z pojedynczym elementem wzmacniającym. Spotyka się jednak także modele pracujące w trybie push-pull, gdzie sygnał wysyłany jest do dwóch elementów pracujących tak, że jeden "ciągnie", a drugi "pcha". Warto też wspomnieć o tym, że wzmacniacze pracujące w klasie A pokazują na co je stać dopiero po ustabilizowaniu temperatury, co może trwać nawet 30-45 minut. Wysokie temperatury oraz większe niż w innych klasach obciążenie tranzystorów, powodują dużo szybsze zużycie podzespołów. Posługując się pewną analogią, wzmacniacze pracujące w klasie A można porównać do sportowych aut z dużymi silnikami, które przez większe obciążenia elementów wymagają częstszych wizyt w serwisie, ale też potrafią dać kierowcy mnóstwo frajdy.

Klasa B

Jest to klasa bardzo rzadko spotykana w sprzęcie audio, jednak należy o niej wspomnieć ze względu na tożsamość z konstrukcjami AB. Tutaj tranzystory przewodzą dokładnie połowę okresu sinusoidy, a w przypadku braku sygnału, nie przewodzą prądu w ogóle. Sam układ takiego wzmacniacza przypomina konstrukcję klasy A pracującą w push-pullu, z tą różnicą, że każdy element wzmacniający przejmuje na siebie tylko jedną połówkę sygnału - dodatnią lub ujemną. Obie połówki sumowane są na wyjściu, już po wzmocnieniu. Polaryzacja układu dobrana jest tak, aby tranzystory lub lampy, które w danym momencie nie pracują, były faktycznie "wyłączone" i nie pobierały prądu. Dzięki temu całość znacznie mniej się nagrzewa. Dużym plusem takiego rozwiązania jest wysoka sprawność, w teorii dochodząca niemal do 80%. Największym problemem wzmacniaczy pracujących w klasie B są zniekształcenia związane ze "składaniem" ze sobą dodatnich oraz ujemnych połówek sygnału. Wynika to z tego, że zarówno w tranzystorach, jak i lampach, małe sygnały wzmacniane są na nieliniowej części charakterystyki, a największe zniekształcenia powstają przy przejściu sygnału przez zero (czyli tam, gdzie jest on rozdzielany na dwie części). W efekcie otrzymujemy wysoki poziom tak zwanych zniekształceń skrośnych. Z tego względu wzmacniacze pracujące w klasie B spotyka się najczęściej w tanim sprzęcie estradowym, gdzie najważniejszą rzeczą jest moc wyjściowa.

Klasa C

W materiałach dotyczących sprzętu audio o tej klasie pracy wzmacniacza praktycznie się mówi, bo i nie ma o czym. W konstrukcji tego typu element aktywny przewodzi mniej niż połowę okresu sinusoidy. Nie trzeba znać się na elektronice, aby zorientować się, że wiążą się z tym oczywiste problemy, jak na przykład wspomniane w opisie klasy B zagadnienie związane z przejściem przebiegu przez zero. W klasie C zniekształcenia skrośne są dosłownie gigantyczne. Obrazowo można powiedzieć, że w takim wzmacniaczu małe sygnały w ogóle nie przechodzą przez lampy lub tranzystory, a te większe są naznaczone silnymi zniekształceniami w okolicach początku lub końca pracy elementu wzmacniającego. Z uwagi na tak dużą deformację sygnału, w sprzęcie audio układów tego typu nie stosuje się w ogóle. Są one wykorzystywane raczej w nadajnikach radiowych, układach alarmowych itp.

Klasa AB

Jest to najczęściej spotykana klasa pracy wzmacniacza. Dlaczego? Otóż jest to taki złoty środek, sposób na połączenie wysokiej mocy wyjściowej z niskimi zniekształceniami i normalnym zużyciem energii. Najogólniej mówiąc, jest to mieszanka klas A i B. Klasa AB charakteryzuje się niewielkim przepływem prądu spoczynkowego w czasie, gdy na wejściu nie ma żadnego sygnału. W tym przypadku tranzystory lub lampy przewidzą ciut powyżej połowy pełnego okresu sinusoidy i są spolaryzowane tak, aby zawsze przepływał przez nie choćby niewielki prąd. Pozwala to nie tylko ograniczyć problem ze zniekształceniami skrośnymi, ale także uzależnić faktyczną klasę pracy wzmacniacza od oddawanej w danym momencie mocy. W związku z tym, urządzenie tego typu może oddawać pierwszych kilka lub kilkanaście watów w klasie A. Pobiera wtedy więcej energii, ma większe gabaryty i w pewnym sensie "udaje" konstrukcje pracujące w czystej klasie A. Odkręcenie kurka z prądem powoduje, że wzmacniacz zaczyna pracować w klasie B. Bardzo istotną zaletą tego typu wzmacniaczy jest sprawność energetyczna sięgająca 50-70%. Purystów wprawdzie zadowoli wyłącznie wzmacniacz pracujący w czystej klasie A, ale większość producentów wybiera klasę AB jako najlepszy możliwy kompromis.

Klasa D

Wzmacniacze pracujące w tej klasie wykorzystują modulację szerokości impulsu (Pulse Width Modulation). Jest to zupełnie inna konstrukcja, niż w przypadku klas A, B czy AB. Sprawność klasy D waha się w granicach 90%, a więc są to konstrukcje bardzo energooszczędne. W związku z tym nie generują ciepła i mają kompaktowe wymiary. Straty wynikają w największym stopniu z rezystancji tranzystorów w stanie przewodzenia i procesu ich przełączania. Wszystko wygląda pięknie, ale zawsze gdzieś musi być haczyk. W tym przypadku chodzi o to, iż na wyjściu otrzymujemy tak naprawdę ciąg prostokątnych impulsów ze zmiennym współczynnikiem wypełnienia. Nie jest to niestety czysta sinusoida. W stopniu wejściowym znajduje się komparator, który porównuje przebieg z układem generującym wzorzec sygnału. Tranzystory mocy pełnią rolę przełączników (tak zwanych "kluczy"). Proces odbywa się na częstotliwościach wykraczających kilkakrotnie poza zakres słyszalny przez człowieka. Mimo to, układ wymaga odcięcia tych sygnałów, dlatego na wyjściu znajdziemy zawsze filtr dolnoprzepustowy, najczęściej cewkę oraz kondensator. Na przestrzeni lat wzmacniacze pracujące w klasie D udało się dopracować, na przykład poprzez stosowanie filtrów sprzężenia zwrotnego, które pomagają zmniejszyć poziom zniekształceń THD i IMD.

Klasa G

W przypadku stacjonarnych urządzeń audio priorytetem jest jak najlepsza jakość dźwięku, a ponieważ większe gabaryty, wyższa masa i większe zużycie energii nie mają dla użytkowników decydującego znaczenia, do ich sprawności energetycznej przywiązuje się mniejszą wagę. Zupełnie inaczej jest w przypadku odtwarzaczy przenośnych, kieszonkowych wzmacniaczy słuchawkowych i słuchawek bezprzewodowych. Tutaj liczy się najdłuższy czas pracy na baterii, w związku z czym efektywność energetyczna urządzenia jest jednym z priorytetów. A ta w dużej mierze zależy od sprawności wzmacniacza mocy. Wkład, jaki ten element wnosi w całkowity bilans zużycia energii elektrycznej przez dane urządzenie, może wynosić nawet 80%. Aby wydłużyć czas pracy sprzętu na jednym ładowaniu, inżynierowie zaczęli pracować nad układami wzmacniającymi i tak narodziła się klasa G. W dużym skrócie, mamy tu do czynienia ze wzmacniaczem klasy AB o co najmniej dwóch napięciach zasilających. System polega na dostosowaniu napięcia zasilania wzmacniacza do wymaganej w danym momencie mocy wyjściowej. Kiedy akurat nie potrzebujemy dużej mocy, wzmacniacz zasilany jest ze źródła o niższej wartości, natomiast gdy pojawi się taka konieczność, następuje przełączenie na źródło zasilania o wyższym napięciu. Oczywiście kiedy sygnał wejściowy znów spadnie poniżej określonego poziomu, zasilanie przełącza się ponownie. Podobnym rozwiązaniem jest układ z dwoma całkowicie oddzielnymi stopniami wzmacniającymi. Zasada działania pozostaje podobna. Przy małych sygnałach pracuje tylko stopień o mniejszej mocy, a kiedy zapotrzebowanie na moc rośnie, dołączany jest drugi stopień. Jeżeli pominiemy oszczędności energii, wzmacniacze tej klasy raczej nie charakteryzują się lepszymi parametrami niż konstrukcje pracujące w klasie AB. Dzięki temu rozwiązaniu, czas pracy odtwarzacza przenośnego lub kieszonkowego DAC-a może być jednak zauważalnie dłuższy.

Klasa H

Zasada działania wzmacniaczy pracujących w klasie H jest bardzo podobna do tych wykorzystujących klasę G. Z tego powodu oba rozwiązania są ze sobą mylone, przy czym zwykle układy z przełączanym napięciem zasilania określa się mianem klasy H. W przeciwieństwie do klasy G, tutaj cały układ wzmacniający zasilany jest z jednego źródła, ale za pośrednictwem zasilacza o regulowanym napięciu wyjściowym adekwatnym do aktualnie wymaganej wartości mocy wyjściowej. Naturalnie, zasilacz dysponujący możliwością zmiany parametrów w zależności od aktualnego zapotrzebowania na prąd musi być bardziej rozbudowany i zaawansowany konstrukcyjnie, co jednak jest uzasadnione ponieważ nie trzeba wówczas stosować kilku oddzielnych zasilaczy lub dwóch różnych stopni końcowych. Adaptacyjna zmiana parametrów zasilania pozwala wydatnie ograniczyć straty mocy - jeszcze skuteczniej, niż dzieje się to we wzmacniaczach pracujących w klasie G. Do plusów należy też zaliczyć mniejsze zniekształcenia, wynikające z braku artefaktów związanych z przełączaniem się z jednego zasilacza na drugi.

Klasy "marketingowe" i inne dziwactwa

Klasa AA

Oprócz rozwiązań znanych i powszechnie stosowanych przez wielu producentów sprzętu audio, istnieje szereg klas, które właściwie się nie przyjęły, a także cała grupa systemów, które należałoby zakwalifikować do klas czysto "marketingowych", stosowanych tylko przez jedną firmę. Po co? Jak to w życiu bywa, niektórzy za wszelką cenę chcą wyróżnić się z tłumu lub zrobić wrażenie na klientach, którzy nie do końca wiedzą o co chodzi. Większość tego typu rozwiązań bazuje na klasach wymienionych wcześniej, z takimi czy innymi modyfikacjami, które w ogólnym rozrachunku niewiele zmieniają. Jednym z nich jest klasa AA promowana swego czasu między innymi przez firmę Technics. Klasa AA to próba połączenia zalet klas A i B, ale nie poprzez zmianę sposobu pracy lamp czy tranzystorów, ale rozwiązanie jeszcze bardziej drastyczne - umieszczenie we wspólnej obudowie dwóch układów wzmacniających, z których jeden zawsze pracuje w klasie A, a drugi - w klasie B. Obie sekcje połączone są specjalnym mostkiem w taki sposób, aby w momentach mniejszego zapotrzebowania na moc pracował ten pierwszy, a przy większych sygnałach - drugi. Urządzenia pracujące w klasie AA charakteryzują się niskimi zniekształceniami nieliniowymi i małymi przesunięciami fazowymi. Co ciekawe, Technics stosował to rozwiązanie nie tylko we wzmacniaczach, ale także źródłach dźwięku, takich jak magnetofony kasetowe. Nazwa jest jednak nieco myląca, ponieważ w istocie mamy tu połączenie dwóch klas, które już dobrze znamy.

Klasa I

Klasa I jest w zasadzie specyficzną odmianą klasy D, opatentowaną przez firmę Crown, należącą obecnie do koncernu Harman International Industries. Rozwiązanie określane szerzej jako Balanced Current Amplifier Class I ma zapewniać lepszą efektywność niż w przypadku konwencjonalnych układów pracujące w klasie D. W klasycznej odmianie tej technologii, wzmacniacz opiera się na stopniach wyjściowych, które w wybranym momencie mogą przyjąć jeden z dwóch stanów - otwarty albo zamknięty. Jednak system polegający na zamykaniu przewodzenia na jednym tranzystorze dokładnie wtedy, gdy inny przyjmuje stan otwarty, wygląda świetnie tylko na papierze. W rzeczywistości nie jest to takie oczywiste, a do równania wchodzą rozmaite mechanizmy spowalniające proces przełączania i wprowadzające zniekształcenia, których usunięcie nie jest takie łatwe. Należy przy tym mieć na uwadze, że mówimy o bardzo wysokich częstotliwościach pracy takiego układu, a to oznacza, że przesunięcia czasowe mogą dochodzić do kilkudziesięciu nanosekund. Rozwiązanie firmy Crown polega na zastosowaniu dwóch wzmacniaczy klasy D w konfiguracji mostkowej, w których obciążenie określa się w odniesieniu do uziemienia. Innymi słowy, mamy do czynienia z dwoma układami, które same w sobie wciąż są niedoskonałe, ale mają jednakowe opóźnienia i pracują na wspólne obciążenie. System przyjął się we wzmacniaczach instalacyjnych, w których produkcji Crown się specjalizuje, a także w urządzeniach innych marek należących do tego samego koncernu (na przykład w samochodowych wzmacniaczach JBL-a).

Klasa T

Pierwszy, opatentowany wzmacniacz pracujący w klasie T zaprezentowała w 1998 roku amerykańska firma Tripath. Nie zdradzono wówczas szczegółów budowy tych wzmacniaczy, jednak wiadomo, że są to wzmacniacze impulsowe, podobnie jak układy pracujące w klasie D. Stopień wyjściowy jest w tym przypadku również sterowany przebiegiem prostokątnym, ale w odróżnieniu od "normalnej" klasy D, częstotliwość impulsów nie jest stała i waha się między 50 kHz a 1,5 MHz. Co za tym idzie, stosunkowo skomplikowane są stopnie sterujące i algorytmy zarządzające cyfrową obróbką sygnału, bo do tego tak naprawdę to wszystko się sprowadza. Rozwiązanie miało wyeliminować niedoskonałości wynikające ze znacznego rozrzutu parametrów wyjściowych tranzystorów MOS-FET. Zaawansowane układy sterujące miały kompensować te niedoskonałości. Uzyskano w ten sposób płaską charakterystykę pasma przenoszenia i wyjątkowo niskie zniekształcenia, przy sprawności dochodzącej do 92%.

Klasa V

Na ciekawy pomysł pozwalający zwiększyć wydajność energetyczną klasy A wpadli swego czasu inżynierowie firmy Linn. Ich klasa V to rozwiązanie, w którym klasyczny, analogowy wzmacniacz połączono z szybkim zasilaczem impulsowym, do kompletu dodając jeszcze cyfrowe przetwarzanie sygnału. Brzmienie wysokiej jakości ma nam w tym przypadku zapewnić właśnie końcówka mocy pracująca w tradycyjnej klasie A, a większą moc uzyskuje się zasadniczo poprzez redukcję strat energii na drodze inteligentnego sterowania układem zasilającym. Pomysł jest w gruncie rzeczy bardzo ciekawy, ale firma - podobnie, jak w większości tego typu przypadków - niechętnie dzieli się szczegółami technicznymi, stawiając raczej na opisywanie zalet swojego rozwiązania. W ostatnich latach jej inżynierowie poszli jeszcze dalej, stosując bardzo zaawansowane zasilacze, które - oprócz korzyści natury czysto technicznej - pozwoliły zmniejszyć gabaryty ich wzmacniaczy i końcówek mocy.

Klasa XD

Kolejnej próby połączenia zalet klas A i B podjęła się brytyjska firma Cambridge Audio. Choć nazwa tej klasy sugeruje, że mamy do czynienia z ulepszoną formą klasy D, w rzeczywistości mówimy o całkowicie "klasycznym" wzmacniaczu tranzystorowym. Rozwiązanie zaproponowane przez inżynierów Cambridge Audio polega w istocie na przesunięciu punktu pracy elementów wzmacniających jeszcze dalej, niż w tradycyjnej klasie AB. Ich zdaniem pozwala to ograniczyć zniekształcenia tak bardzo, że nie są już słyszalne dla ludzkiego ucha. Klasa XD ma zatem łączyć jakość dźwięku wzmacniacza klasy A ze skutecznością wzmacniacza klasy AB. Z układem tego typu spotkamy się na przykład we wzmacniaczach zintegrowanych Azur 840A i Azur 851A. Z technicznego punktu widzenia, wciąż mówimy jednak o wzmacniaczu pracującym w klasie AB.

Klasa Z

Wprowadzona oryginalnie i zastrzeżona przez firmę Zetex klasa Z, która po pewnym czasie zamieniła się w rozwiązanie znane jako DDFA (Direct Digital Feedback Amplifier), jest blisko spokrewniona z klasą D, a także stworzoną przez firmę Tripath klasą T. W tym przypadku układ w pełni zasługuje jednak na miano "wzmacniacza cyfrowego" ponieważ mamy tu do czynienia z cyfrową obróbką sygnału, który to zresztą podawany jest na wejście właśnie w postaci cyfrowej (PCM), a nie analogowej. Rozwiązanie takie w bardzo niewielkim stopniu przypomina wzmacniacz audio, w klasycznym rozumieniu tego słowa. Urządzenie bazuje na dwóch niezależnych procesorach, z których jeden pełni rolę modulatora cyfrowego, natomiast drugi pracuje w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Elementami wykonawczymi są tranzystory MOS-FET. System pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej sprawności, ale jego zalety doceniło także kilku producentów audiofilskiej elektroniki. Rozwiązanie Zetexa wykorzystał chociażby NAD. I to nie byle gdzie, bo we wzmacniaczach z hi-endowej serii Masters.

Czy to już wszystko?

Oczywiście, że nie. W powyższym tekście zdecydowaliśmy się dokładniej opisać tylko te klasy, z którymi audiofile i melomani mogą się zetknąć podczas poszukiwania wzmacniacza lub lektury różnego rodzaju artykułów, od opisów reklamowych po testy. Do naszej listy dodaliśmy także te klasy, które z jakiegoś powodu uznaliśmy za wyjątkowo ciekawe. O ile w aparaturze audio raczej nie spotkamy się z układami pracującymi w czystej klasie B, o tyle znajomość zasady jej działania jest kluczowa dla zrozumienia czym jest klasa AB, która z kolei jest wyjątkowo popularna, żeby nie powiedzieć - dominująca. Niektóre klasy pracy wzmacniacza istnieją dziś właściwie tylko na papierze lub w materiałach archiwalnych. Inne nie mają zastosowania w sprzęcie audio i dotyczą czegoś zupełnie innego. Jeżeli jednak chcielibyście kopać dalej, możecie poszukać czym są klasy E, F, J, K, KB, L, M, N, S, SB, TD czy W. Podróż jeszcze się nie kończy, bo i producenci sprzętu audio nie próżnują. Ciągle wychodzą z nowymi rozwiązaniami (z których większość ma niestety większą wartość marketingową niż techniczną), przy czym szczególnie gorącym tematem jest w tym momencie udoskonalenie układów pracujących w klasie D. A czy w przyszłości pojawi się coś naprawdę przełomowego? Tego oczywiście nie wiemy, ale mamy nadzieję, że po lekturze niniejszego artykułu będziecie wiedzieć co we wzmacniaczach piszczy.

Zdjęcia: Materiały producentów

• « poprz.
• nast. »