Audio amplifier adalah istilah umum yang digunakan untuk menggambarkan rangkaian yang menghasilkan dan memperkuat versi sinyal inputnya. Namun, tidak semua teknologi konverter sama seperti yang diklasifikasikan menurut konfigurasi dan mode operasinya.
Dalam elektronik, amplifier kecil biasanya digunakan karena mampu memperkuat sinyal input yang relatif kecil, seperti dari sensor seperti pemutar musik, menjadi sinyal output yang jauh lebih besar untuk menggerakkan relai, lampu, atau pengeras suara, dll.
Ada banyak bentuk sirkuit elektronik yang diklasifikasikan sebagai amplifier, dari transduser sinyal operasional dan kecil hingga konverter pulsa dan daya besar. Klasifikasi perangkat tergantung pada ukuran sinyal, besar atau kecil, konfigurasi fisiknya, dan bagaimana aliran input diproses, yaitu, hubungan antara level input dan arus yang mengalir dalam beban.
Anatomi Perangkat
Penguat frekuensi audio dapat dilihat sebagai kotak sederhanaatau blok yang berisi perangkat, seperti bipolar, FET, atau sensor operasional, yang memiliki dua terminal input dan dua output (ground adalah umum). Selain itu, sinyal keluaran jauh lebih besar karena konversinya pada perangkat.
Penguat sinyal yang ideal memiliki tiga sifat utama:
- Impedansi masukan, atau (R IN).
- Resistansi keluaran, atau (R OUT).
- Gain, atau (A).
Tidak peduli seberapa kompleks rangkaian penguatnya, model blok umum dapat digunakan untuk menunjukkan hubungan ketiga properti ini.
Konsep umum
Amplifier audio berkualitas tinggi mungkin berbeda dalam performanya. Setiap jenis memiliki konversi digital atau analog. Kode diatur untuk memisahkannya.
Perbedaan yang meningkat antara sinyal input dan output disebut konversi. Gain adalah ukuran seberapa banyak amplifier "mengubah" sinyal input. Misalnya, jika ada level input 1 volt dan level output 50 volt, maka konversinya menjadi 50. Dengan kata lain, sinyal input telah dikembangkan 50 kali. Penguat frekuensi audio melakukan hal itu.
Perhitungan konversi hanyalah rasio keluaran dibagi dengan masukan. Sistem ini tidak memiliki satuan sebagai rasionya, tetapi dalam elektronika biasanya digunakan simbol A untuk gain. Konversi kemudian secara sederhana dihitung sebagai "output dibagi input".
Konverter daya
Pembesar kecilPenguat sinyal biasanya disebut sebagai penguat "tegangan" karena cenderung mengubah input kecil menjadi tegangan output yang jauh lebih besar. Terkadang rangkaian perangkat diperlukan untuk menggerakkan motor atau daya loudspeaker, dan untuk jenis aplikasi ini, di mana arus switching tinggi terlibat, konverter daya diperlukan.
Seperti namanya, tugas utama penguat daya (juga dikenal sebagai penguat sinyal besar) adalah untuk memasok daya ke beban. Ini adalah produk dari tegangan dan arus yang diterapkan pada beban dengan daya keluaran lebih besar dari level sinyal masukan. Dengan kata lain, konverter meningkatkan daya speaker, sehingga jenis rangkaian blok ini digunakan pada tahap eksternal konverter audio untuk menggerakkan speaker.
Prinsip operasi
Penguat audio bekerja berdasarkan prinsip mengubah daya DC yang diambil dari catu daya menjadi sinyal tegangan AC yang dipasok ke beban. Meskipun konversinya tinggi, efisiensi dari catu daya DC ke sinyal keluaran tegangan AC umumnya rendah.
Blok yang ideal memberikan perangkat efisiensi 100% atau setidaknya daya IN akan sama dengan daya OUT.
Pembagian kelas
Jika pengguna pernah melihat spesifikasi amplifier daya audio, mereka mungkin telah memperhatikan kelas peralatan, biasanya dilambangkan dengan huruf ataudua. Jenis blok yang paling umum digunakan dalam audio rumah konsumen saat ini adalah nilai A, A/B, D, G, dan H.
Kelas-kelas ini bukan sistem klasifikasi sederhana, tetapi deskripsi topologi amplifier, yaitu, bagaimana mereka berfungsi pada tingkat inti. Meskipun setiap jenis amplifier memiliki kekuatan dan kelemahannya sendiri, kinerjanya (dan bagaimana karakteristik akhir diukur) tetap sama.
Ini untuk mengubah bentuk gelombang yang dikirim oleh pra-unit tanpa menimbulkan interferensi atau setidaknya distorsi sesedikit mungkin.
Kelas A
Dibandingkan dengan kelas penguat daya audio lainnya yang akan dijelaskan di bawah, model Kelas A adalah perangkat yang relatif sederhana. Prinsip operasi yang menentukan adalah bahwa semua blok keluaran transduser harus melalui siklus sinyal 360 derajat yang lengkap.
Kelas A juga dapat dibagi menjadi amplifier ujung tunggal dan amplifier push-pull. Push/pull berbeda dengan penjelasan utama di atas dengan menggunakan perangkat output secara berpasangan. Sementara kedua perangkat menjalankan siklus 360 derajat penuh, satu perangkat akan membawa sebagian besar beban selama bagian positif dari siklus, sementara yang lain akan membawa lebih banyak siklus negatif.
Keuntungan utama dari rangkaian ini adalah berkurangnya distorsi dibandingkan dengan desain ujung tunggal, karena fluktuasi pesanan yang merata dihilangkan. Selain itu, desain push-pull Kelas A kurang sensitif terhadap noise.
Karena kualitas positif yang terkait dengan kinerja Kelas A, ini dianggap sebagai standar emas untuk kualitas suara di banyak aplikasi akustik. Namun, desain ini memiliki satu kelemahan penting - efisiensi.
Persyaratan untuk penguat audio transistor Kelas A agar semua perangkat keluaran menyala setiap saat. Tindakan ini menyebabkan hilangnya energi yang signifikan, yang akhirnya diubah menjadi panas. Hal ini semakin diperburuk oleh fakta bahwa desain Kelas A memerlukan tingkat arus diam yang relatif tinggi, yang merupakan jumlah arus yang mengalir melalui perangkat keluaran ketika penguat menghasilkan keluaran nol. Tingkat efisiensi dunia nyata dapat berkisar antara 15-35%, dengan satu digit dimungkinkan menggunakan bahan sumber yang sangat dinamis.
Kelas B
Sementara semua mekanisme output di penguat audio kelas A membutuhkan 100% waktu untuk beroperasi, unit kelas B menggunakan sirkuit push-pull sehingga hanya setengah dari perangkat output yang bekerja setiap saat.
Satu setengah menutupi bagian +180 derajat dari bentuk gelombang sementara setengah lainnya menutupi bagian -180 derajat. Akibatnya, penguat Kelas B secara signifikan lebih efisien daripada penguat Kelas A, dengan maksimum teoritis 78,5%. Mengingat efisiensi yang relatif tinggi, Kelas B telah digunakan di beberapa transduser PA profesional serta beberapa amplifier tabung rumah. Meskipun merekakekuatan yang jelas, peluang memperoleh blok kelas B untuk sebuah rumah praktis nol. Pemeriksaan penguat audio menunjukkan penyebabnya, yang dikenal sebagai distorsi crossover.
Masalah dengan latensi dalam serah terima antara perangkat yang memproses bagian positif dan negatif dari bentuk gelombang dianggap signifikan. Tak perlu dikatakan bahwa distorsi ini terdengar dalam jumlah yang cukup, dan sementara beberapa desain Kelas B lebih baik daripada yang lain dalam hal ini, Kelas B menerima sedikit pengakuan dari penggemar yang terdengar bersih.
Kelas A/B
Penguat audio tabung dapat ditemukan di banyak tempat konser. Ini memiliki kinerja tinggi dan tidak terlalu panas. Selain itu, modelnya jauh lebih murah daripada banyak blok digital. Tapi ada juga penyimpangan. Modul semacam itu mungkin tidak berfungsi dengan semua format audio. Oleh karena itu, lebih baik menggunakan peralatan sebagai bagian dari kompleks pemrosesan sinyal umum.
Kelas A/B menggabungkan yang terbaik dari setiap jenis perangkat untuk membuat unit tanpa kekurangan keduanya. Dengan kombinasi keunggulan ini, amplifier kelas A/B sebagian besar mendominasi pasar konsumen.
Solusinya sebenarnya cukup sederhana dalam konsep. Di mana kelas B menggunakan perangkat dorong-tarik dengan masing-masing setengah dari tahap keluaran melakukan 180 derajat, mekanisme kelas A/B meningkatkannya menjadi ~181-200 derajat. Jadi, adajauh lebih kecil kemungkinannya untuk memiliki "robek" di loop, dan oleh karena itu distorsi crossover turun ke titik di mana itu tidak masalah.
Valve audio power amplifier dapat menyerap gangguan ini lebih cepat. Berkat properti ini, suara yang keluar dari perangkat jauh lebih bersih. Model karakteristik ini sering digunakan untuk mengubah suara gitar akustik dan elektrik.
Cukup untuk mengatakan bahwa Kelas A/B memenuhi janjinya, dengan mudah mengungguli konstruksi Kelas A murni pada ~50-70% kinerja dunia nyata. Level sebenarnya, tentu saja, bergantung pada seberapa besar offset amplifier, serta materi program dan faktor lainnya. Perlu juga dicatat bahwa beberapa desain Kelas A/B melangkah lebih jauh dalam upaya mereka untuk menghilangkan distorsi crossover dengan beroperasi dalam mode Kelas A murni hingga daya beberapa watt. Ini memberikan beberapa efisiensi pada tingkat rendah, tetapi memastikan bahwa amplifier tidak berubah menjadi tungku ketika sejumlah besar daya diterapkan.
Kelas G dan H
Sepasang desain lain yang dirancang untuk meningkatkan efisiensi. Dari sudut pandang teknis, baik amplifier kelas G maupun kelas H tidak diakui secara resmi. Sebaliknya, mereka adalah variasi pada tema Kelas A/B menggunakan switching tegangan bus dan modulasi bus, masing-masing. Bagaimanapun, dalam kondisi permintaan rendah, sistem menggunakan tegangan bus yang lebih rendah daripada penguat A/B kelas serupa, yang secara signifikanmengurangi konsumsi daya. Ketika kondisi daya tinggi terjadi, sistem secara dinamis meningkatkan tegangan bus (yaitu beralih ke bus tegangan tinggi) untuk menangani transien amplitudo tinggi.
Ada kekurangan juga. Kepala di antara mereka adalah biaya tinggi. Sirkuit switching jaringan asli menggunakan transistor bipolar untuk mengontrol aliran output, menambah kerumitan dan biaya. Amplifier frekuensi audio tabung berkualitas tinggi dari jenis ini adalah umum, meskipun harganya mulai dari 50 ribu rubel. Blok dianggap sebagai teknik profesional untuk bekerja di atas panggung atau merekam di studio. Ada masalah dengan transistor. Di bawah beban yang berkepanjangan, beberapa dari mereka mungkin gagal.
Saat ini, harga sering diturunkan sampai batas tertentu dengan menggunakan MOSFET arus tinggi untuk memilih atau mengubah panduan. Penggunaan MOSFET tidak hanya meningkatkan efisiensi dan mengurangi panas, tetapi juga membutuhkan lebih sedikit suku cadang (biasanya satu perangkat per utas). Selain biaya switching bus, modulasi itu sendiri, juga perlu diperhatikan bahwa beberapa amplifier kelas G menggunakan lebih banyak perangkat output daripada desain kelas A/B biasa.
Satu pasang perangkat akan beroperasi dalam mode A/B biasa, ditenagai oleh busbar tegangan rendah. Sedangkan yang satunya lagi standby untuk bertindak sebagai penambah tegangan, diaktifkan hanya tergantung situasi. Tahan beban tinggi hanya kelas G dan H,terkait dengan amplifier yang kuat, di mana peningkatan efisiensi terbayar. Desain ringkas juga dapat menggunakan topologi kelas G/H sebagai lawan A/B mengingat kemampuan untuk beralih ke mode daya rendah berarti mereka dapat lolos dengan heatsink yang sedikit lebih kecil.
Kelas D
Perangkat jenis ini memungkinkan Anda membuat sistem modular Anda sendiri. Dengan bantuan peralatan, pemrosesan berkualitas tinggi dari seluruh aliran keluar terjadi. Merancang penguat daya frekuensi audio memungkinkan Anda membuat sistem multimedia Anda sendiri untuk bekerja atau hiburan. Namun, ada beberapa nuansa di sini. Sering keliru disebut sebagai amplifikasi digital, konverter kelas D adalah jaminan efisiensi unit dan mencapai keuntungan lebih dari 90% dalam pengujian yang sebenarnya.
Pertama perlu dipertimbangkan mengapa ini adalah kelas D jika "amplifikasi digital" salah. Itu hanya huruf berikutnya dalam alfabet, dengan kelas C yang digunakan dalam sistem audio. Lebih penting lagi, bagaimana efisiensi 90%+ dapat dicapai. Sementara semua kelas penguat yang disebutkan sebelumnya memiliki satu atau lebih perangkat output yang terus aktif bahkan ketika konverter sebenarnya dalam mode siaga, unit kelas D dengan cepat mematikan dan menghidupkannya. Ini cukup nyaman dan memungkinkan untuk menggunakan modul hanya pada saat yang tepat.
Misalnya perhitungan amplifier audio kelas T, yaituImplementasi kelas D Tripath, tidak seperti perangkat dasar, menggunakan frekuensi switching urutan 50 MHz. Perangkat keluaran biasanya dikendalikan oleh modulasi lebar pulsa. Ini adalah saat gelombang persegi dengan lebar berbeda dihasilkan oleh modulator yang menyajikan sinyal analog untuk pemutaran. Dengan kontrol ketat perangkat keluaran dengan cara ini, efisiensi 100% secara teoritis dimungkinkan (walaupun jelas tidak dapat dicapai di dunia nyata).
Menggali dunia amplifier audio kelas D, Anda juga dapat menemukan penyebutan modul yang dikontrol analog dan digital. Blok kontrol ini memiliki sinyal input analog dan sistem kontrol analog, biasanya dengan beberapa derajat koreksi kesalahan umpan balik. Di sisi lain, amplifier kelas D konversi digital menggunakan kontrol digital, yang mengubah tahap daya tanpa kontrol kesalahan. Keputusan ini juga mendapat persetujuan, menurut ulasan banyak pembeli. Namun, segmen harga jauh lebih tinggi di sini.
Penelitian penguat audio telah menunjukkan bahwa kelas D yang digerakkan analog memiliki keunggulan kinerja dibandingkan analog digital, karena biasanya menawarkan impedansi (resistensi) keluaran yang lebih rendah dan profil distorsi yang ditingkatkan. Ini menaikkan nilai awal sistem pada beban maksimumnya.
Parameter penguat frekuensi audio jauh lebih tinggi daripada model dasar. Harus dipahami bahwa perhitungan seperti itu hanya diperlukan untuk membuat musik di studio. Untuk pembeli biasa, inikarakteristik dapat dilewati.
Biasanya rangkaian L (induktor dan kapasitor) ditempatkan di antara amplifier dan pengeras suara untuk mengurangi kebisingan yang terkait dengan operasi kelas D. Filter sangat penting. Desain yang buruk dapat membahayakan efisiensi, keandalan, dan kualitas suara. Selain itu, umpan balik setelah filter keluaran memiliki kelebihan. Meskipun desain yang tidak menggunakan umpan balik pada tahap ini dapat menyesuaikan responsnya terhadap impedansi tertentu, ketika amplifier tersebut memiliki beban yang kompleks (yaitu loudspeaker daripada resistor), respons frekuensi dapat bervariasi secara signifikan tergantung pada beban pada speaker. Umpan balik menstabilkan masalah ini dengan memberikan respons yang mulus terhadap beban yang kompleks.
Pada akhirnya, kerumitan amplifier audio Kelas D memiliki manfaatnya. Efisiensi dan, sebagai hasilnya, lebih sedikit bobot. Karena relatif sedikit energi yang dihabiskan untuk panas, jauh lebih sedikit energi yang dibutuhkan. Dengan demikian, banyak amplifier kelas D digunakan bersama dengan catu daya mode sakelar (SMPS). Seperti tahap keluaran, catu daya itu sendiri dapat dengan cepat dihidupkan dan dimatikan untuk mengatur tegangan, menghasilkan peningkatan efisiensi lebih lanjut dan kemampuan untuk mengurangi bobot dibandingkan catu daya analog/linier tradisional.
Secara keseluruhan, bahkan amplifier kelas D yang kuat dapat memiliki berat hanya beberapa kilogram. Kerugian dari catu daya SMPS dibandingkan dengan catu daya linier tradisional adalah:bahwa yang pertama biasanya tidak memiliki banyak ruang kepala.
Pengujian dan berbagai pengujian amplifier audio kelas D dengan catu daya linier dibandingkan dengan modul SMPS telah menunjukkan bahwa memang demikianlah masalahnya. Ketika dua amplifier menangani daya pengenal, tetapi satu dengan catu daya linier dapat menghasilkan tingkat daya dinamis yang lebih tinggi. Namun, desain SMPS menjadi lebih umum dan Anda dapat mengharapkan untuk melihat unit Kelas D generasi berikutnya yang lebih baik menggunakan bentuk serupa di toko.
Perbandingan efisiensi kelas AB dan D
Meskipun efisiensi penguat daya audio bertransistor Kelas A/B meningkat saat daya output maksimum mendekati, desain Kelas D mempertahankan efisiensi tinggi pada sebagian besar rentang operasi. Alhasil, efisiensi dan kualitas suara semakin condong ke blok terakhir.
Gunakan satu transduser
Bila diimplementasikan dengan benar, salah satu blok di atas di luar kelas B dapat membentuk basis penguat fidelitas tinggi. Selain potensi jebakan kinerja (yang terutama merupakan keputusan desain daripada kelas khusus), pemilihan jenis blok sebagian besar merupakan masalah biaya versus efisiensi.
Di pasar saat ini, penguat audio Kelas A/B sederhana mendominasi, dan untuk alasan yang bagus. Ini bekerja dengan sangat baik, relatif murah, dan ituefisiensi cukup memadai untuk aplikasi daya rendah (>200W). Tentu saja, karena produsen konverter mencoba mendorong amplop dengan, misalnya, monoblok 1000W Emotiva XPR-1, mereka beralih ke desain kelas G/H dan D untuk menghindari duplikasi amplifier mereka sebagai sistem yang mampu memanaskan peralatan dengan cepat. Sementara itu, di sisi lain pasar, ada penggemar kelas A yang bisa memaafkan kurangnya efisiensi perangkat dengan harapan suara yang lebih bersih.
Hasil
Lagi pula, kelas konverter belum tentu begitu penting. Tentu saja ada perbedaan nyata, terutama dalam hal biaya, efisiensi amplifier, dan oleh karena itu bobotnya. Tentu saja, peralatan kelas A 500W adalah ide yang buruk, kecuali, tentu saja, pengguna memiliki sistem pendingin yang kuat. Di sisi lain, perbedaan antar kelas tidak menentukan kualitas suara. Pada akhirnya, itu tergantung pada pengembangan dan implementasi proyek Anda sendiri. Penting untuk dipahami bahwa transduser hanyalah satu perangkat yang merupakan bagian dari sistem audio.
