Opas: Mitä vahvistinluokat tarkoittavat?

Teksti: Kari Nevalainen
Julkaistu AVPlus-lehden numerossa 2/2018.

Hifivahvistin on laite, joka muuttaa ohjelmalähteen heikon signaalin (sähkövärähtelyn) niin voimakkaaksi signaaliksi, että sillä voidaan ajaa kaiutinta. Tyypillisesti vahvistin koostuu virtalähteestä, esiasteesta (tulosignaalin bufferointi: vahvistus, impedanssi), ajurista (ajaa pääteastetta ja toimii tarvittaessa vaiheenkääntäjänä) ja pääteasteesta (syöttää virtaa kaiuttimille). Jos nämä kaikki ovat yhdessä ja samassa vahvistimessa, kutsutaan sitä integroiduksi vahvistimeksi.
Vahvistinluokista puhuttaessa puhutaan lähinnä pääteasteen toimintaperiaatteesta. Esivahvistimen (kuulokevahvistimen ja muiden) sekä pääteasteen etuasteen käsittelemä tulosignaali on niin pienitasoinen, että sen vahvistukseen riittää käytännössä vain yksi toimintaluokka (A). Integroidun vahvistimen pääteasteessa tai erillisessä päätevahvistimessa (mono/stereo) tilanne on eri.

A-luokka

Päätevahvistimen tehoaste voidaan rakentaa toimimaan A-luokassa, ja varsinkin putkivahvistimissa on edelleen paljon A-luokan toteutuksia, jollaisia myös kaikki varhaiset putkivahvistimet olivat. A-luokka tarkoittaa teknisesti, että kytkennässä oleva putki tai transistori johtaa yksipuoleisesti koko signaalijakson ajan (signaalin molemmat puolijaksot) eli koko sisääntulosignaali vahvistetaan.
Muihin vahvistintyyppeihin verrattuna A-luokan vahvistimet ovat lineaarisempia ja yksinkertaisempia sekä varsinkin single-ended-toteutuksissa (myös vuorovaihevahvistin voi toimia A-luokassa) myös pienempitehoisia. Toisaalta niiden herkillä kaiuttimilla tuottamaa ääntä kuvataan usein laadukkaammaksi kuin muuntyyppisten vahvistimien. Kaupallisia yksipuoleisia A-luokan vahvistimia on transistoripuolella vähän mutta putkipuolella sitäkin enemmän.    
A-luokan ominaisuus, olipa kyse putki- tai transistorivahvistimesta, on isot tehohäviöt. Yksipuolisissa single-ended- eli SE-rakenteissa hyötysuhde on teoreettisestikin parhaimmillaan vain 25 prosenttia. Muuntajakytketyillä rakenteilla voidaan päästä 50 prosentin hyötysuhteeseen, mutta musiikkisignaalilla jäädään kauaksi maksimihyötysuhteista, yleensä vain muutamaan prosenttiin. Parempi hyötysuhde mutta myös pienempi tyhjäkäyntiteho on ollut tärkein syy B-luokan vahvistinrakenteiden käytölle.

B-luokka

Hyötysuhdetta saadaan merkittävästi nostettua (78,5 prosenttiin) ja tyhjäkäyntihäviötä laskettua vuorovaiheisilla rakenteilla. Vuorovaihekytkennässä signaalin puolijaksot on jaettu eri transistoreille (komplementaaripari) tai putkille. Vuorovaihevahvistimissa transistorit/putket ovat puolet ajasta kytkeytyneenä ja puolet pois päältä, jolloin ne eivät kuluta tehoa. Tällainen vahvistinrakenne edellyttää, että ajuriasteessa signaalin puolijaksot (positiivinen/negatiivinen) on erotettu vaiheenkäännöllä.
Ylimenokohta yhdeltä puolijaksolta toiselle (nollakohdassa kumpikaan transistori tai putki ei kytkeydy päälle) aiheuttaa välttämättä ylimenosäröä, joka on suurimmillaan alhaisilla signaalitasoilla. Säröä voidaan pienentää lisäämällä lepobiasta.
Bias on pienehkö virta (c), jolla päätetransistorit saadaan johtamaan suurempaa virtaa. Mitä suurempi bias, sitä enemmän päätetransistorien läpi kulkee virtaa – myös lepotilassa, kun vahvistin ei vahvista äänisignaalia. Biaksen määrästä voidaan laskea vahvistimen toimintaluokan määrittävä toimintapiste.   

AB-luokka

Kun läpi ajettu bias on hyvin pieni, kyse on B-luokan rakenteesta. Kun biaksen määrää lisätään, kyse on AB-luokan toteutuksesta. Biasta tarpeeksi kasvattamalla päästään A-luokkaan. AB-luokan vahvistimessa (pääteasteessa) molemmat transistorit tai putket toimivat pienellä signaalitasolla A-luokassa, ja signaalitason kasvaessa määrätyn tason yli ne toimivat B-luokan tavoin. Moni A-luokan vuorovaihevahvistin – tai sellaiseksi mainostettu – on kytkennältään kuin mikä tahansa AB-luokan vahvistin sillä erotuksella, että A-luokan vahvistimissa jäähdytys ja komponenttien mitoitus on suunniteltu kestämään tavanomaista suurempi lepobias.
Keskimäärin AB-luokan vahvistin tuottaa muutaman watin A-luokassa ja siirtyy sitten B-luokkaan. Parhaimmissakin tapauksissa A-luokan osuus AB-vahvistimissa on vain 15 prosenttia, tyypillisesti kuitenkin viisi prosenttia. Mitä suurempi on A-luokan osuus, sitä valtavampi virtalähde ja sitä kuumempana kone käy, myös lepotilassa.
AB-luokalla päästään osittain eroon B-luokan epälineaarisuudesta, mutta verrattuna A-luokan (korkean biaksen) vuorovaihevahvistimiin AB-luokan vahvistimet kärsivät edelleen ongelmista, joita syntyy, kun kahteen puolijaksoon jaettu, toisinaan hyvinkin vääristynyt, epälineaarinen signaali liitetään takasin yhteen vahvistimen pääteasteessa. Nämä ylimenosäröön liittyvät ongelmat (säröytyneet sisäiset virrat, teholähteen pulssittainen kuormitus, lämpötilaherkkyys ja niin edelleen) on kuitenkin siinä määrin onnistuttu minimoimaan, että viime vuosiin asti lähes kaikki kaupalliset (pääte)vahvistimet toimivat AB-luokassa.  

D-luokka

AB-luokan uusi kilpailija on D-luokka, missä päätetransistorit toimivat kytkimien tapaan (koko ajan joko täysin johtavassa tilassa tai eivät johda ollenkaan) ja niitä ohjataan (useimmiten) pulssinleveysmoduloidulla (PWM) signaalilla. Korkeimpaan vahvistettavaan äänitaajuuteen nähden moninkertainen modulointitaajuus suodatetaan pois alipäästösuotimella, jolloin vahvistimen pääteasteen tuottama signaali saadaan muistuttamaan sille syötettyä analogista signaalia.
D-luokan merkittävimmät edut ovat vahvistimen erinomainen hyötysuhde (parhaimmillaan jopa 95 prosenttia) sekä keveys ja erittäin pieni lämmöntuotto. Kaksi viimeksi mainittua ominaisuutta johtuvat siitä, että D-luokan vahvistin ei tarvitse massiivista virtalähdettä.
D-luokan vahvistimet ovat perinteisesti olleet vähemmän lineaarisia kuin A- tai AB-luokan vahvistimet, eikä niiden äänenlaatua ole pidetty parhaana mahdollisena. D-luokan tekniikka on kuitenkin kehittynyt viime vuosina, ja nykyään on yleistynyt käsitys, että on D-luokan vahvistinpiirejä, joiden tuottamaa ääntä voi jo pitää varsin hyvänä. Varsinkin sovellutuksissa, joissa hyvä hyötysuhde on tärkeä (muun muassa paristokäyttöiset laitteet) eikä jouduta toistamaan hyvin korkeita taajuuksia, D-luokka tulee oletettavasti yleistymään.

G-luokka

G-luokan vahvistin on B/AB-luokan vahvistimen muunnos. Rakenteessa hyödynnetään tietoa, että musiikkisignaali on suurimman osan ajasta pieniamplitudista mutta sisältää aina välillä kuitenkin voimakkaita transientteja. G-luokan vahvistimessa käytetään useampaa (vähintään kahta) eri käyttöjännitettä. Kun lähtösignaalin taso on pieni, vahvistin käyttää pienempää jännitettä. Kun lähtösignaali nousee yli määrätyn tason, vaihdetaan lähtöasteelle suurempi käyttöjännite, ja taas takaisin pienemmälle jännitteelle, kun lähtösignaalin taso putoaa. G-luokan rakenteella kyetään minimoimaan tehohäviöt ja parantamaan näin vahvistimen hyötysuhdetta. Kaupalliset G-luokan vahvistimet ovat melko harvinaisia (valmistajista mainittakoon vaikkapa Arcam ja TelluriumQ).