Amplificador de áudio é um termo geral usado para descrever um circuito que produz e amplifica uma versão de seu sinal de entrada. No entanto, nem todas as tecnologias de conversores são iguais, pois são classificadas de acordo com suas configurações e modos de operação.
Em eletrônica, amplificadores pequenos são comumente usados porque são capazes de amplificar um sinal de entrada relativamente pequeno, como de um sensor como um tocador de música, em um sinal de saída muito maior para acionar um relé, lâmpada ou alto-falante, etc.
Existem muitas formas de circuitos eletrônicos classificados como amplificadores, desde transdutores operacionais e de pequenos sinais até grandes conversores de pulso e potência. A classificação de um dispositivo depende do tamanho do sinal, grande ou pequeno, sua configuração física e como o fluxo de entrada é processado, ou seja, a relação entre o nível de entrada e a corrente que flui na carga.
Anatomia do Dispositivo
Os amplificadores de frequência de áudio podem ser vistos como uma simples caixaou um bloco contendo um dispositivo, como um sensor bipolar, FET ou operacional, que possui dois terminais de entrada e dois de saída (terra é comum). Além disso, o sinal de saída é muito maior devido à sua conversão no dispositivo.
Um amplificador de sinal ideal terá três propriedades principais:
- Impedância de entrada, ou (R IN).
- Resistência de saída, ou (R OUT).
- Ganho, ou (A).
Não importa quão complexo seja o circuito do amplificador, um modelo de bloco geral pode ser usado para demonstrar a relação dessas três propriedades.
Conceitos gerais
Os amplificadores de áudio de alta qualidade podem variar em desempenho. Cada tipo tem uma conversão digital ou analógica. Os códigos são definidos para separá-los.
A maior diferença entre os sinais de entrada e saída é chamada de conversão. Ganho é uma medida de quanto um amplificador "transforma" um sinal de entrada. Por exemplo, se houver um nível de entrada de 1 volt e um nível de saída de 50 volts, a conversão será de 50. Em outras palavras, o sinal de entrada foi desenvolvido 50 vezes. Um amplificador de frequência de áudio faz exatamente isso.
O cálculo de conversão é simplesmente a razão da saída dividida pela entrada. Este sistema não tem unidades como sua razão, mas em eletrônica o símbolo A é comumente usado para ganho. A conversão é então simplesmente calculada como "saída dividida pela entrada".
Conversores de potência
Lupa pequenaUm amplificador de sinal é comumente referido como um amplificador de "tensão" porque tende a converter uma pequena entrada em uma tensão de saída muito maior. Às vezes, um circuito de dispositivo é necessário para acionar um motor ou potência de alto-falante e, para esses tipos de aplicações, onde altas correntes de comutação estão envolvidas, são necessários conversores de energia.
Como o nome sugere, a principal tarefa de um amplificador de potência (também conhecido como grande amplificador de sinal) é fornecer energia a uma carga. É o produto da tensão e da corrente aplicada a uma carga com potência de saída maior que o nível do sinal de entrada. Em outras palavras, o conversor aumenta a potência do alto-falante, então esse tipo de circuito de bloco é usado nos estágios externos dos conversores de áudio para acionar os alto-falantes.
Princípio de funcionamento
O amplificador de áudio funciona com o princípio de converter a energia CC extraída da fonte de alimentação em um sinal de tensão CA fornecido à carga. Embora a conversão seja alta, a eficiência da fonte de alimentação CC para o sinal de saída de tensão CA geralmente é baixa.
Um bloco ideal dá ao dispositivo uma eficiência de 100% ou pelo menos a potência IN será igual à potência OUT.
Divisão de classe
Se os usuários já observaram as especificações dos amplificadores de potência de áudio, eles podem ter notado as classes de equipamentos, geralmente indicadas pela letra oudois. Os tipos de bloco mais comuns usados no áudio doméstico do consumidor hoje são os valores A, A/B, D, G e H.
Essas classes não são simples sistemas de classificação, mas descrições da topologia do amplificador, ou seja, como elas funcionam no nível central. Embora cada tipo de amplificador tenha seu próprio conjunto de pontos fortes e fracos, seu desempenho (e como as características finais são medidas) permanece o mesmo.
É para converter a forma de onda enviada pela pré-unidade sem introduzir interferência ou pelo menos o mínimo de distorção possível.
Classe A
Em comparação com outras classes de amplificadores de potência de áudio que serão descritos abaixo, os modelos Classe A são dispositivos relativamente simples. O princípio definidor de operação é que todos os blocos de saída do transdutor devem passar por um ciclo completo de sinal de 360 graus.
Class A também pode ser dividido em amplificadores de terminação simples e push-pull. Push/pull difere da explicação principal acima ao usar dispositivos de saída em pares. Embora ambos os dispositivos executem um ciclo completo de 360 graus, um dispositivo carregará a maior parte da carga durante a parte positiva do ciclo, enquanto o outro carregará mais do ciclo negativo.
A principal vantagem deste circuito é a redução da distorção em comparação com os projetos de terminação simples, pois mesmo as flutuações de ordem são eliminadas. Além disso, os designs push-pull Classe A são menos sensíveis ao ruído.
Por causa das qualidades positivas associadas ao desempenho da Classe A, é considerado o padrão-ouro para a qualidade do som em muitas aplicações acústicas. No entanto, esses projetos têm uma desvantagem importante - eficiência.
Requisito para amplificadores de áudio de transistor Classe A ter todos os dispositivos de saída sempre ligados. Essa ação leva a uma perda significativa de energia, que acaba sendo convertida em calor. Isso é ainda agravado pelo fato de que os projetos de Classe A exigem níveis relativamente altos de corrente quiescente, que é a quantidade de corrente que flui através dos dispositivos de saída quando o amplificador está produzindo saída zero. As taxas de eficiência do mundo real podem ser da ordem de 15-35%, com um único dígito possível usando material de origem altamente dinâmico.
Classe B
Enquanto todos os mecanismos de saída em um amplificador de áudio classe A levam 100% do tempo para operar, as unidades classe B usam circuitos push-pull de forma que apenas metade dos dispositivos de saída estejam conduzindo a qualquer momento.
Uma metade cobre a parte de +180 graus da forma de onda enquanto a outra metade cobre a seção de -180 graus. Como consequência, os amplificadores de classe B são significativamente mais eficientes do que seus equivalentes de classe A, com um máximo teórico de 78,5%. Dada a eficiência relativamente alta, a Classe B tem sido usada em alguns transdutores de PA profissionais, bem como em alguns amplificadores valvulados domésticos. Apesar delesforça óbvia, as chances de adquirir um bloco classe B para uma casa são praticamente zero. Um exame do amplificador de áudio mostrou a causa disso, conhecida como distorção cruzada.
O problema com a latência no handover entre os dispositivos que processam as partes positivas e negativas da forma de onda é considerado significativo. Escusado será dizer que esta distorção é audível em quantidades suficientes, e enquanto alguns designs de Classe B foram melhores do que outros a este respeito, o Classe B recebeu pouco reconhecimento de entusiastas de som limpo.
Classe A/B
O amplificador de áudio valvulado pode ser encontrado em muitas casas de shows. Possui alto desempenho e não superaquece. Além disso, os modelos são muito mais baratos que muitos blocos digitais. Mas também há desvios. Tal módulo pode não funcionar com todos os formatos de áudio. Portanto, é melhor usar o equipamento como parte de um complexo geral de processamento de sinal.
Class A/B combina o melhor de cada tipo de dispositivo para criar uma unidade sem as desvantagens de nenhum deles. Com essa combinação de vantagens, os amplificadores classe A/B dominam amplamente o mercado consumidor.
A solução é bastante simples em conceito. Onde a classe B usa um dispositivo push-pull com cada metade do estágio de saída conduzindo 180 graus, os mecanismos da classe A/B aumentam para ~181-200 graus. Assim, hámuito menos provável de ter um "rasgo" no loop e, portanto, a distorção do crossover cai ao ponto em que não importa.
Os amplificadores de potência de áudio Valve podem absorver essa interferência muito mais rapidamente. Graças a essa propriedade, o som sai do aparelho muito mais limpo. Modelos com essas características são frequentemente usados para transformar o som de guitarras acústicas e elétricas.
Basta dizer que a Classe A/B cumpre sua promessa, superando facilmente construções de Classe A puras em ~50-70% de desempenho no mundo real. Os níveis reais, é claro, dependem de quanto o amplificador é compensado, bem como o material do programa e outros fatores. Também vale a pena notar que alguns designs de Classe A/B vão um passo adiante em sua busca para eliminar a distorção de crossover operando no modo Classe A puro até alguns watts de potência. Isso dá alguma eficiência em níveis baixos, mas garante que o amplificador não se transforme em um forno quando uma grande quantidade de energia é aplicada.
Classes G e H
Outro par de designs projetados para melhorar a eficiência. Do ponto de vista técnico, nem os amplificadores classe G nem classe H são oficialmente reconhecidos. Em vez disso, são variações do tema Classe A/B usando comutação de tensão de barramento e modulação de barramento, respectivamente. Em qualquer caso, em condições de baixa demanda, o sistema usa uma tensão de barramento mais baixa do que um amplificador classe A/B similar, o que significareduz o consumo de energia. Quando ocorrem condições de alta potência, o sistema aumenta dinamicamente a tensão do barramento (ou seja, muda para o barramento de alta tensão) para lidar com transientes de alta amplitude.
Há falhas também. O principal deles é o alto custo. Os circuitos de comutação de rede originais usavam transistores bipolares para controlar os fluxos de saída, adicionando complexidade e custo. Amplificadores de frequência de áudio de tubo de alta qualidade desse tipo são comuns, embora o preço comece em 50 mil rublos. O bloco é considerado uma técnica profissional para trabalhar no palco ou gravar em estúdio. Há problemas com transistores. Sob carga prolongada, alguns deles podem falhar.
Hoje, o preço é frequentemente reduzido até certo ponto usando MOSFETs de alta corrente para selecionar ou alterar guias. O uso de MOSFETs não apenas melhora a eficiência e reduz o calor, mas também requer menos peças (normalmente um dispositivo por thread). Além do custo de comutação de barramento, a própria modulação, também vale a pena notar que alguns amplificadores classe G usam mais dispositivos de saída do que um projeto típico de classe A/B.
Um par de dispositivos operará no modo A/B típico, alimentado pelos barramentos de baixa tensão. Enquanto isso, o outro fica de prontidão para atuar como amplificador de tensão, ativado apenas dependendo da situação. Suporta cargas elevadas apenas classes G e H,associados a amplificadores potentes, onde o aumento da eficiência compensa. Projetos compactos também podem usar topologias de classe G/H em oposição a A/B, uma vez que a capacidade de alternar para o modo de baixo consumo significa que eles podem usar um dissipador de calor um pouco menor.
Classe D
Este tipo de dispositivo permite que você crie seus próprios sistemas modulares. Com a ajuda do equipamento, ocorre o processamento de alta qualidade de todo o fluxo de saída. Projetar amplificadores de potência de frequência de áudio permite que você crie seu próprio sistema multimídia para trabalho ou entretenimento. No entanto, existem algumas nuances aqui. Muitas vezes erroneamente chamados de amplificação digital, os conversores classe D são uma garantia de eficiência da unidade e alcançam ganhos superiores a 90% em testes reais.
Primeiro vale a pena considerar porque esta é a classe D se "amplificação digital" estiver incorreta. Era apenas a próxima letra do alfabeto, com a classe C usada em sistemas de áudio. Mais importante, como 90%+ de eficiência pode ser alcançada. Embora todas as classes de amplificadores mencionadas anteriormente tenham um ou mais dispositivos de saída que estão constantemente ativos, mesmo quando o conversor está realmente em modo de espera, as unidades de classe D os desligam e ligam rapidamente. Isso é bastante conveniente e permite usar o módulo apenas nos momentos certos.
Por exemplo, o cálculo de amplificadores de áudio classe T, que sãoA implementação de classe D do Tripath, ao contrário do dispositivo básico, usa frequências de comutação da ordem de 50 MHz. Os dispositivos de saída são geralmente controlados por modulação de largura de pulso. É quando ondas quadradas de diferentes larguras são geradas por um modulador que apresenta um sinal analógico para reprodução. Com o controle estrito dos dispositivos de saída dessa forma, 100% de eficiência é teoricamente possível (embora obviamente não seja alcançável no mundo real).
Aprofundando no mundo dos amplificadores de áudio classe D, você também pode encontrar menção aos módulos controlados analógicos e digitais. Esses blocos de controle possuem um sinal de entrada analógico e um sistema de controle analógico, geralmente com algum grau de correção de erros de feedback. Por outro lado, os amplificadores classe D de conversão digital usam controle digital, que alterna o estágio de potência sem controle de erros. Esta decisão também encontra aprovação, de acordo com as avaliações de muitos compradores. No entanto, o segmento de preço é muito mais alto aqui.
A pesquisa de amplificadores de áudio mostrou que a classe D acionada por analógico tem uma vantagem de desempenho sobre o analógico digital, pois normalmente oferece menor impedância de saída (resistência) e perfil de distorção aprimorado. Isso eleva os valores iniciais do sistema em sua carga máxima.
Os parâmetros dos amplificadores de frequência de áudio são muito superiores aos dos modelos básicos. Deve-se entender que tais cálculos são necessários apenas para criar música no estúdio. Para compradores comuns, estescaracterísticas podem ser ignoradas.
Geralmente um circuito L (indutor e capacitor) colocado entre o amplificador e os alto-falantes para reduzir o ruído associado à operação classe D. O filtro é de grande importância. Um design ruim pode comprometer a eficiência, a confiabilidade e a qualidade do som. Além disso, o feedback após o filtro de saída tem suas vantagens. Embora os projetos que não usam feedback neste estágio possam ajustar sua resposta a uma impedância específica, quando esses amplificadores têm uma carga complexa (ou seja, um alto-falante em vez de um resistor), a resposta de frequência pode variar significativamente dependendo da carga no alto-falante. O feedback estabiliza esse problema fornecendo uma resposta suave a cargas complexas.
No final, a complexidade dos amplificadores de áudio Classe D tem seus benefícios. Eficiência e, como resultado, menos peso. Uma vez que relativamente pouca energia é gasta em calor, muito menos energia é necessária. Como tal, muitos amplificadores de classe D são usados em conjunto com fontes de alimentação comutadas (SMPS). Assim como o estágio de saída, a própria fonte de alimentação pode ser ligada e desligada rapidamente para regular a tensão, resultando em mais ganhos de eficiência e na capacidade de reduzir o peso em relação às fontes de alimentação analógicas/lineares tradicionais.
Em conjunto, mesmo amplificadores potentes de classe D podem pesar apenas alguns quilos. A desvantagem das fontes de alimentação SMPS em comparação com as fontes lineares tradicionais éque os primeiros geralmente não têm muito espaço.
Testes e inúmeros testes de amplificadores de áudio classe D com fontes de alimentação lineares comparados aos módulos SMPS mostraram que este é realmente o caso. Quando dois amplificadores estavam lidando com potência nominal, mas um com uma fonte de alimentação linear poderia produzir níveis de potência dinâmicos mais altos. No entanto, os designs SMPS estão se tornando mais comuns e você pode esperar ver unidades Classe D melhores da próxima geração usando formas semelhantes nas lojas.
Comparação da eficiência das classes AB e D
Embora a eficiência de um amplificador de potência de áudio transistorizado Classe A/B aumente à medida que a potência máxima de saída se aproxima, os projetos Classe D mantêm alta eficiência na maioria das faixas de operação. Como resultado, a eficiência e a qualidade do som estão cada vez mais inclinadas para o último bloco.
Use um transdutor
Quando implementado corretamente, qualquer um dos blocos acima fora da classe B pode formar a base de um amplificador de alta fidelidade. Além das possíveis armadilhas de desempenho (que são principalmente uma decisão de projeto e não uma classe específica), a seleção do tipo de bloco é em grande parte uma questão de custo versus eficiência.
No mercado atual, o amplificador de áudio Classe A/B simples domina, e por boas razões. Funciona muito bem, é relativamente barato e suaa eficiência é bastante adequada para aplicações de baixa potência (>200W). É claro que, à medida que os fabricantes de conversores tentam empurrar o envelope com, por exemplo, o monobloco Emotiva XPR-1 de 1000W, eles estão se voltando para os projetos das classes G/H e D para evitar duplicar seus amplificadores como sistemas capazes de aquecer equipamentos rapidamente. Enquanto isso, do outro lado do mercado, existem fãs classe A que podem perdoar a f alta de eficiência do aparelho na esperança de um som mais limpo.
Result
Afinal, classes de conversão não são necessariamente tão importantes. Claro que existem diferenças reais, especialmente quando se trata de custo, eficiência do amplificador e, portanto, peso. Claro, aparelhos de 500W classe A são uma má ideia, a menos, é claro, que o usuário tenha um poderoso sistema de refrigeração. Por outro lado, as diferenças entre as classes não determinam a qualidade do som. No final, tudo se resume a desenvolver e implementar seus próprios projetos. É importante entender que os transdutores são apenas um dispositivo que faz parte do sistema de áudio.
