เกริ่นนำ – จุดประสงค์ในการออกแบบ “เพาเวอร์แอมป์” ก็เพื่อใช้ขับลำโพง ซึ่งในการทำเช่นนั้นได้ เพาเวอร์แอมป์จะต้องมีความสามารถในการจ่าย แรงดัน (voltage) และ กระแส (current) จำนวนมาก ซึ่งโดยปกติจะต้องเป็นการจ่ายออกไปพร้อมกัน ไปยังโหลดความต้านทานที่ต่ำ ในช่วงความถี่ที่กว้างขวาง ตั้งแต่ระดับที่ต่ำกว่า 20Hz ขึ้นไปจนถึงระดับ 40,000 – 50,000Hz โดยไม่ทำให้เกิดความผิดเพี้ยนของเสียง ตามทฤษฎีแล้ว สำหรับแอมปลิฟายที่มีกำลังขับปกติอยู่ที่ 100W rms เมื่อใช้ขับคลื่นเสียงต้องมีแรงดันสูงสุด มากกว่า +/- 40V สำหรับโหลดต้านทานที่ 8 โอห์ม และต้องจ่ายกระแสสูงสุดได้ถึง +/- 5A แต่ในทางปฏิบัติจริงๆ แล้ว จำเป็นต้องใช้กระแสมากกว่านี้เพื่อขับลำโพงที่มีความต้านทานลดลงต่ำกว่า 8 โอห์มในบางความถี่
จากตัวอย่างข้างบน กระแส +/- 8A ถือว่าเป็นไปตามข้อกำหนดทั่วไป แต่หากต้องการขับลำโพงทุกวันนี้ที่มีโหลด 4 – 8 โอห์ม ให้ได้กำลังขับ 100W ต้องเพิ่มกระแสเป็น +/- 12A หรือมากกว่า ในชีวิตจริงแล้ว เพาเวอร์ซัพพลายจะต้องมีแรงดันใกล้ๆ +/- 50V มากกว่าค่าต่ำสุดทางทฤษฎีซึ่งกำหนดไว้ที่ +/- 40V เพื่อชดเชยการสูญเสียที่เกิดขึ้นในวงจร
การใช้พลังที่สูงระดับนั้น หมายความว่าจะต้องมีความร้อนจำนวนมากแผ่กระจายอยู่ในตัวแอมปลิฟาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของเอ๊าต์พุต ซึ่งนี่ต้องใช้ต้นทุนที่สูง เพราะต้องใช้ทรานซิสเตอร์ที่เอ๊าต์พุตจำนวนมากมาเรียงต่อกัน ต้องใช้ฮีทซิ้งค์ขนาดใหญ่ในการระบายความร้อน และต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้า (ทรานสฟอร์เมอร์) ขนาดใหญ่ที่ให้กำลังมากพอ ดังนั้น เมื่อมองในแง่ประสิทธิภาพถือว่าไม่ดีนัก เพราะแอมปลิฟายที่ทำให้เกิดความร้อนที่สูญเสียไปเปล่าๆ น้อยกว่าจะให้ประสิทธิภาพสูงกว่า ซึ่งทำให้ประหยัดได้ทั้งเงินและพลังงานไฟฟ้าที่ต้องใช้ไป ด้วยเหตุนี้ จะเห็นว่า แอมปลิฟายหลากหลายประเภทที่จะกล่าวถึงด้านล่างนี้ จะมีความแตกต่างกันในแง่ของ “ประสิทธิภาพ” ที่ว่านี้
ความซับซ้อน, ต้นทุน และความเที่ยงตรง สามประเด็นนี้คือสิ่งที่นักออกแบบแอมปลิฟายพยายามที่จะบรรลุถึงความประนีประนอมที่ดีที่สุดสำหรับความต้องการของตลาด
* หมายเหตุ – บทความนี้แปลและเรียบเรียงมาจากเอกสารที่ชื่อว่า Amp Classes – A Brief Tutorial ซึ่งจัดทำขึ้นโดย Arcam ผู้ผลิตอุปกรณ์เครื่องเสียงสัญชาติอังกฤษ ในบางส่วนของบทความจึงมีการกล่าวถึงผลิตภัณฑ์ของ Arcam อยู่บ้าง
Class A
ภาคขยายเสียงของแอมปลิฟายที่เรียบง่ายมากที่สุดคือภาคขยายแบบ Single-End และ Class A นั่นคือระบบนี้ใช้ประโยชน์จากทรานซิสเตอร์ เอ๊าต์พุตเพียงแค่ตัวเดียว ที่ทำงานต่อเนื่องตลอดเวลา โดยไม่คำนึงถึงรูปคลื่นสัญญาณเอ๊าต์พุต วงจรขยาย Class A ให้ความเที่ยงตรงที่ดีเยี่ยม (มีความเป็นไฮ–ไฟเดลิตี้สูง / ความผิดเพี้ยนต่ำ) แต่ในขณะเดียวกัน วงจรขยายแบบ Class A ให้ประสิทธิภาพต่ำมาก มันแทบจะไม่เคยถูกใช้ในภาคเอ๊าต์พุตของเพาเวอร์แอมป์เลย แต่เป็นภาคขยายในอุดมคติสำหรับภาคอินพุต กับภาคไดร้แบบไฮ–เลเวลในเพาเวอร์แอมปลิฟาย
Class A
มีตัวอย่างบางส่วนของวงจร push-pull Class A ในภาคขยายของแอมปลิฟายของ Krell, Sugden และอื่นๆ พวกเขาใช้เอ๊าต์พุตทรานซิสเตอร์หนึ่งคู่ จัดวงจรแบบ complementary (เฟสตรงข้าม) ซึ่งให้สัญญาณที่มีความแรงต่ำๆ ผ่าน ส่วนกระแส (current) ทั้งหมดจะถูกใช้ในการขับลำโพงเต็มกำลัง สำหรับกำลังขับ 100วัตต์ / 8 โอห์ม ตามตัวอย่างข้างต้นนี้ ตัวทรานซิสเตอร์เอ๊าต์พุตจะถูกปรับไบอัสไว้ที่ 2.5A โดยจ่ายแรงดันอย่างต่ำอยู่ที่ +/- 40V ภาคขยายเอ๊าต์พุตจะแผ่พลังงานสูงถึง 200 วัตต์เมื่อไม่ได้ส่งเอ๊าต์พุตไปที่ลำโพง ซึ่งนั่นคือช่องทางเดียวที่กำลังขับจะถูกใช้!
ไม่น่าแปลกใจเลยที่วงจรขยายแบบนี้มักจะถูกจำกัดกำลังขับอยู่ในระดับต่ำ แค่ 20 – 50W rms ต่อข้าง เท่านั้น ซึ่งตัวเครื่องจะร้อนมากและราคาสูงด้วย
Class B
ในเครื่องขยายเสียง Class B แบบ push-pull เอ๊าต์พุตทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะทำงานแค่ครึ่งเดียว (180 องศา) ของสัญญาณคลื่นเสียง (sine wave) เมื่อไม่มีสัญญาณป้อนเข้ามาในวงจรขยาย ทรานซิสเตอร์จะไม่ทำงาน ซึ่งตรงกันข้ามกับวงจรขยายแบบ Class A ทรานซิสเตอร์ NPN ที่อยู่ด้านบนจะมีเฉพาะสัญญาณซีกบวกเท่านั้นที่ไหลผ่าน โดยปล่อยให้ทรานซิสเตอร์ PNP ที่อยู่ด้านล่างอยู่ในสถานะ “off” ปิดการทำงาน ซึ่งทรานซิสเตอร์ตัวล่างจะทำงานขยายเฉพาะสัญญาณซีกลบ ซึ่งตอนที่ทรานซิสเตอร์ PNP กำลังขยายสัญญาณซีกลบ ทรานซิสเตอร์ NPN ที่ใช้ขยายสัญญาณซีกบวกจะอยู่ในสถานะ “off”
Class B
วงจรขยาย Class B ให้ประสิทธิภาพสูงกว่ามากกว่าวงจรขยาย Class A มาก แต่มันมีความเพี้ยนสูงตรงรอยต่อระหว่างสัญญาณซีกบวกกับซีกลบ ซึ่งเกิดขึ้นตอนทรานซิสเตอร์ซีกบนกับซีกล่างเปิดและปิดทำงานสลับไปสลับมานั่นเอง ความเพี้ยนดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า crossover distortion ซึ่งส่งผลเสียต่อการฟังอย่างชัดเจน เป็นเหตุให้ไม่มีผู้ผลิตแอมปลิฟายแบรนด์ไหนเลือกใช้วงจรขยายแบบ pure Class B ในแอมปลิฟายของตัวเองเลย
Class AB
เป็นการผสมผสานกันของวงจรขยายแบบ Class A กับวงจรขยายแบบ Class B ทำให้วงจรขยายแบบ Class AB (หรือบางทีก็เขียนว่า Class A/B) มีประสิิทธิภาพสูงกว่าวงจรขยายแบบ Class A มาก ในขณะเดียวกัน ก็ให้ความเพี้ยนน้อยกว่าวงจรขยายแบบ Class B มาก การออกแบบทำได้ด้วยการจัดวงจรด้วยทรานซิสเตอร์สองชุดแบบวงจรขยาย Class B แต่ทำการปรับไบอัสทรานซิสเตอร์ทั้งสองชุดไว้ในปริมาณต่ำๆ ใกล้กับจุดที่ให้สัญญาณเอ๊าต์พุตต่ำๆ เกือบเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นจุดที่กำลังจะเกิดความเพี้ยน crossover distortion อย่างที่เกิดกับวงจรขยาย Class B ในขณะที่มีสัญญาณเสียงเข้ามาในปริมาณน้อยๆ เมื่อสัญญาณอินพุตมีปริมาณเพิ่มมากขึ้น วงจรขยายจะปรับตัวเข้าสู่โหมด Class B เพื่อให้มีการจ่ายกระแสสูงๆ
Class AB
สำหรับการออกแบบแอมปลิฟายทั่วๆ ไป จะมีการปรับกระแสไบอัสที่เหมาะสม ซึ่งอยู่ในระดับต่ำๆ เพื่อลดปัญหาความเพี้ยนครอสโอเวอร์ ดีสทอร์ชั่นลงไป (แต่ไม่ทั้งหมด) โดยปกติแล้วจะปรับกระแสไบอัสไว้ประมาณ 50mA ซึ่งคิดเป็นกำลังขับ 4 วัตต์ ที่เป็น Class A สำหรับวงจรขยายเต็มที่ 100 วัตต์ (80V x 50mA = 4W) หรือคิดเป็น 2% ของกำลังขับเต็มที่ ซึ่งเพาเวอร์แอมป์ส่วนใหญ่ในตลาดเครื่องเสียงจะใช้วงจรขยายแบบ Class AB ลักษณะนี้
ในทางปฏิบัติ กระแสไบอัสอาจจะเบี่ยงเบนไปจากค่าที่เหมาะสมได้ ขึ้นอยู่กับเวลา, อุณหภูมิ และระดับสัญญาณอินพุต ซึ่งนี่ทำให้ยังคงมีความเพี้ยน crossover distortion อยู่ ที่ผ่านมาได้มีความพยายามทุ่มเทความรู้ในการพัฒนาอย่างมากเพื่อปรับปรุงในส่วนนี้ คือพยายามลดปัญหา crossover distortion ให้เหลือน้อยที่สุดโดยพยายามทำให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดไปพร้อมกัน ซึ่งแต่ละเทคนิคการออกแบบที่คิดค้นขึ้นมาใช้ก็ประสบความสำเร็จในระดับต่างๆ กันไป วิธีการที่ดีวิธีหนึ่งคือทำการปิดทรานซิสเตอร์ขณะที่ไม่ได้ใช้งานให้ช้าลงกว่าดีไซน์ปกติ โดยอาศัยการผสมของสัญญาณฟีคแบ็คแบบ positive และ negative ในวงจรเอ๊าต์พุต ทำให้วงจรขยายทำงานใกล้กับ Class A ที่เอ๊าต์พุตประมาณ 10W เทคนิคนี้ถูกใช้และได้รับผลที่ดีในการออกแบบใช้กับแอมป์เซอร์ราวนด์ของ Arcam รุ่น AVR600 และรุ่น AVR750 รวมถึงถูกใช้ในแอมป์สเตริโอรุ่น A49, P49 และรุ่น A39 ด้วย
Class D
แอมปลิฟาย Class D ใช้เทคนิคในการออกแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งตัวทรานซิสเตอร์เอ๊าต์พุต (โดยปกติจะเป็น MOSFET) จะเปิดและปิดอย่างรวดเร็วที่ความถี่สูงกว่าสัญญาณเสียงสูงสุดที่ต้องสร้างขึ้นมา สัญญาณเสียงจะถูกใช้ในการปรับเปลี่ยนให้มีสัดส่วนของเวลาที่ลงตัวกับสัญญาณ on / off ซึ่งเป็นไปตามลักษณะของชื่ออีกชื่อของ Class D นั่นคือ Pulse Width Modulation หรือ PWM วงจรฟิลเตอร์แบบ lowpass-filtered จะให้ค่าเฉลี่ยของคลื่นเสียงเอ๊าต์พุตที่สอดคล้องกับสัญญาณเสียงจริงที่ต้องการ มีข้อเท็จจริงที่อยากจะเน้นก็คือ แอมปลิฟายที่ใช้วงจรขยาย Class D ยังคงเป็นแอมปลิฟายแบบอะนาลอกเต็มตัว ซึ่งแอมป์ที่ใช้วงจรขยาย Class D มักจะถูกเรียกว่าเป็นดิจิตัลแอมป์ ซึ่งไม่ถูกต้อง
Class D
ข้อดีของ Class D คือประสิทธิภาพสูง (80 -90%) เนื่องจากเอ๊าต์พุตทรานซิสเตอร์จะถูกเปิดและปิดเต็มที่ระหว่างการทำงาน การสิ้นเปลืองพลังงานพอๆ กับวงจรขยายแบบ Class AB ข้อด้อยของวงจรขยาย Class D คือต้องใช้เอ๊าต์พุตฟิลเตอร์ที่มีราคาสูง และมีการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในระดับที่อาจจะส่งผลรบกวนอุปกรณ์ตัวอื่นๆ ซึ่งเกิดจากระบบสวิทชิ่งที่ความถี่สูงมากๆ โดยทั่วไปแล้ว คุณภาพเสียงของแอมป์ Class D จะไม่ดีเท่ากับแอมป์ที่ใช้วงจรขยาย Class AB แต่เสียงอาจจะใกล้กันมากถ้าเป็นแอมป์ Class D ที่ออกแบบได้ดีมากๆ
Class G และ Class H
แอมปลิฟายที่ใช้วงจรขยายแบบนี้ให้ความสนใจในแง่ของประสิทธิภาพสูงกว่าแอมปลิฟายที่ใช้วงจรขยายแบบ Class AB ระดับแรงดัน (โวลเตจ) ที่จ่ายให้กับภาคเอ๊าต์พุตจะแปรเปลี่ยนไปตามระดับของสัญญาณ นี่เป็นเพราะช่วงที่ดนตรีพีค ทำให้แอมปลิจูดของสัญญาณเสียงพุ่งขึ้นสูง โดยทั่วไปจะประมาณ 3 ต่อ 1 ดังนั้น แรงดันเต็มที่ของภาคจ่ายไฟจึงไม่ค่อยจำเป็น หากภาคเอ๊าต์พุตอยู่ที่ 100W ปกติจะใช้แรงดันอยู่แค่ +/- 20V เท่านั้น ไม่ถึง +/- 40V ตามค่าต่ำสุดในทฤษฎี มันจึงเย็นมากขณะทำงาน แน่นอนว่า ตอนนี้แหล่งจ่ายพลังงานส่วนเสริมพิเศษเป็นเรื่องจำเป็น แต่ค่าใช้จ่ายที่ว่านี้ก็ไม่หนักหนามากเมื่อเทียบกับความร้อนที่แผ่ออกมาน้อยกว่า และทั้งระบบมีขนาดที่เล็กกว่า
Class G
ตัวอักษร G กับ H มักจะทำให้เกิดความสับสน ในที่นี้เราใช้คำว่า Class G เพื่อแสดงถึงแอมปลิฟายที่ใช้เพาเวอร์ซัพพลายจำนวน 2 ชุด หรือมากกว่า ในการสนับสนุนการทำงานของเอ๊าต์พุตทรานซิสเตอร์ ซึ่งทำให้สามารถสวิทช์จ่ายกำลังจำนวนมากไปตามระดับสัญญาณที่รุนแรง และตอบสนองสัญญาณที่เบาบางอย่างนุ่มนวลไปในเวลาเดียวกัน ด้วยเหตุนั้น ภาคจ่ายไฟที่ให้กำลังสูงกว่าจะถูกจ่ายให้กับภาคเอ๊าต์พุต โดยผนวกไปกับระดับของสัญญาณเอ๊าต์พุต ซึ่งนี่จะคอยติดตามลักษณะรูปคลื่นของเอ๊าต์พุตที่ขึ้นๆ ลงๆ เพื่อรักษาแรงดันต่ำให้คงที่อยู่ที่ 5V ตลอดที่เอ๊าต์พุตทรานซิสเตอร์กำลังจ่ายกำลังให้กับสัญญาณที่ระดับสูง ซึ่งเทคนิคที่กล่าวช่วงท้ายนั้นถูกใช้ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ของ Arcam ที่ใช้วงจรขยาย Class G หลายรุ่น เช่น AVR600/7450, A39/A49/P49) เพราะมันช่วยเพิ่มปริมาณของกระแสสูงสุดได้อย่างมีนัยยะ ทำให้สามารถขับลำโพงได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับวิธีอื่นๆ
Class H
วงจรขยายแบบ Class H ใช้เพาเวอร์ซัพพลายแค่ชุดเดียวสำหรับภาคเอ๊าต์พุต ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนการทำงานได้ ทั้งแบบแยกไปตามระดับสัญญาณและแบบต่อเนื่อง ข้อด้อยของวงจรขยายแบบ Class H คือต้องการวงจรที่ซับซ้อนในการคาดเดาและควบคุมการจ่ายโวลเตจ เหมาะใช้ในแอมป์ที่มีขนาดกระทัดรัดแต่ให้กำลังขับสูง ซึ่งมักจะใช้งานอยู่ในวงการ PA
********************
