Классы усилителей мощности

В электронике усилитель является наиболее часто используемым схемным устройством с огромными возможностями применения. В электронике, связанной с аудио, предварительный усилитель и усилители мощности - это два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, помимо этой цели, связанной с конкретным приложением, существуют огромные различия в разных типах усилителей, в основном в усилителях мощности. Итак, здесь мы рассмотрим различные классы усилителей, а также их преимущества и недостатки.

Классификация усилителей с помощью букв

Классы усилителей идентичны характеристикам и характеристикам усилителя. Усилители мощности разных типов дают разные отклики при прохождении через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям присваиваются разные буквы или алфавиты, которые представляют их классы. Существуют разные классы усилителей, начиная с A, B, C, AB, D, E, F, T и т. Д. Из этих классов наиболее часто используемые классы аудиоусилителей - это A, B, AB, C. Другие классы - это современные усилители, которые используют топологию переключения и метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления выходной нагрузкой. Иногда улучшенной версии традиционных классов присваивается буква, чтобы отнести их к другому классу усилителя, например, усилитель класса G является модифицированным классом усилителя класса B или усилителем класса AB.

Классы усилителя представляют собой пропорцию входного цикла, когда ток проходит через усилитель. Входной цикл - это угол проводимости, определяемый синусоидальной волновой проводимостью на входе усилителя. Этот проводящий угол сильно соразмерен усилители по времени в течение полного цикла. Если усилитель всегда включен во время цикла, угол проводимости будет 360 градусов. Таким образом, если усилитель обеспечивает угол проводимости 360 градусов, тогда усилитель использовал полный входной сигнал, а активный элемент проводился в течение 100% периода времени полного синусоидального цикла.

Ниже мы продемонстрируем традиционные классы усилителей мощности, начиная с классов A, B, AB и C, а также продемонстрируем усилитель класса D, который широко используется в схемах переключения. Эти классы используются не только в усилителе мощности, но также и в схемах аудиоусилителей.

Усилитель класса А

Усилитель класса A - это усилитель с высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью. В случае усилителя класса A угол проводимости составляет 360 градусов. Как мы заявили выше, угол проводимости 360 градусов означает, что устройство усилителя остается активным все время и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

Как мы видим на изображении, активный элемент один - транзистор. Смещение транзистора остается включенным все время. Благодаря этой функции постоянного отключения усилитель класса A обеспечивает лучшую стабильность на высоких частотах и ​​в цепи обратной связи. Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко сконструировать из одного компонента и минимального количества деталей.

Несмотря на достоинства и высокую линейность, безусловно, имеет множество ограничений. Из-за непрерывной проводимости усилитель класса A приводит к большим потерям мощности. Также из-за высокой линейности усилитель класса A обеспечивает искажения и шумы. Источник питания и конструкция смещения требуют тщательного выбора компонентов, чтобы избежать нежелательного шума и минимизировать искажения.

Из-за больших потерь мощности в усилителе класса A он выделяет тепло и требует большего радиатора. Усилители класса А имеют очень низкий КПД, теоретически КПД варьируется от 25 до 30% при использовании в обычной конфигурации. Эффективность можно повысить, используя конфигурацию с индуктивной связью, но эффективность в этом случае не превышает 45-50%, поэтому она подходит только для целей усиления с низким уровнем сигнала или с низким уровнем мощности.

Усилитель класса B

Усилитель класса B немного отличается от класса A. Он создается с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла, то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный токовый привод нагрузки.

На изображении выше показана идеальная конфигурация усилителя класса B. Он состоит из двух активных устройств, которые смещаются одно за другим в течение положительного и отрицательного полупериода синусоидальной волны, и, таким образом, сигнал подталкивается или подтягивается к усиленному уровню как с положительной, так и с отрицательной стороны, и объединяет результат, который мы получаем полный цикл на выходе.. Каждое устройство включается или становится активным половину цикла, и за счет этого КПД повышается, по сравнению с КПД усилителя класса А 25-30%, теоретически он обеспечивает КПД более 60%. Мы можем увидеть график входного и выходного сигналов каждого устройства на изображении ниже. Эффективность не более 78% для усилителя класса B . Тепловыделение в этом классе сведено к минимуму, что обеспечивает небольшое пространство для теплоотвода.

Но и у этого класса есть ограничение. Очень серьезным ограничением этого класса является искажение кроссовера. Поскольку два устройства обеспечивают каждую половину синусоидальных волн, которые объединяются и объединяются на выходе, существует несоответствие (переход) в области, где объединяются две половины. Это связано с тем, что, когда одно устройство завершает полупериод, другое должно обеспечивать такую ​​же мощность почти в то же время, когда другое завершает работу. Эту ошибку сложно исправить в усилителе класса А, так как во время активного устройства другое устройство остается полностью неактивным. Ошибка приводит к искажению выходного сигнала. Из-за этого ограничения это серьезный недостаток для применения в точных усилителях звука.

Усилитель класса AB

Альтернативный подход, чтобы преодолеть перекрестное искажение, чтобы использовать усилитель AB. Усилитель класса AB использует промежуточный угол проводимости обоих классов A и B, поэтому мы можем видеть свойство усилителя как класса A, так и класса B в топологии усилителя этого класса AB. Как и класс B, он имеет ту же конфигурацию с двумя активными устройствами, которые работают в течение половины циклов индивидуально, но каждое устройство смещено по-разному, поэтому они не отключаются полностью в момент непригодности (момент перехода). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидального сигнала, вместо этого они проводят небольшой ввод в течение другого полупериода. Используя этот метод смещения, рассогласование кроссовера во время мертвой зоны значительно уменьшается.

Но в этой конфигурации эффективность снижается из-за нарушения линейности устройств. Эффективность остается выше, чем у типичного усилителя класса A, но ниже, чем у системы усилителя класса B. Кроме того, необходимо тщательно выбирать диоды с одинаковым номиналом и размещать их как можно ближе к выходному устройству. В некоторых схемных конструкциях разработчики стремятся добавить резистор небольшого номинала, чтобы обеспечить стабильный ток покоя на устройстве и минимизировать искажения на выходе.

Усилитель класса C

Помимо усилителя класса A, B и AB, существует еще один усилитель класса C. Это традиционный усилитель, который работает иначе, чем усилители других классов. Усилитель класса C - это настроенный усилитель, который работает в двух разных рабочих режимах, настроенном или ненастроенном. Эффективность усилителя класса C намного больше, чем у усилителя A, B и AB. Максимальный КПД 80% может быть достигнут в операциях, связанных с радиочастотами

Усилитель класса C использует угол проводимости менее 180 градусов. В ненастроенном режиме секция тюнера не включается в конфигурацию усилителя. В этой работе усилитель класса C также дает огромные искажения на выходе.

Когда на схему воздействует настроенная нагрузка, она ограничивает уровень выходного смещения со средним выходным напряжением, равным напряжению питания. Настроенная операция называется кламмером. Во время этой операции сигнал приобретает правильную форму, а центральная частота становится менее искаженной.

При типичном использовании усилитель класса C дает КПД 60-70%.

Усилитель класса D

Усилитель класса D - это коммутирующий усилитель, использующий широтно-импульсную модуляцию или ШИМ. В этом случае угол проводимости не имеет значения, так как прямой входной сигнал изменяется с переменной шириной импульса.

В этой системе усилителей класса D линейное усиление не допускается, поскольку они работают так же, как обычный переключатель, который имеет только две операции: ВКЛ или ВЫКЛ.

Перед обработкой входного сигнала аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов с помощью различных методов модуляции, а затем подается в систему усилителя. Поскольку длительность импульсов связана с аналоговым сигналом, он снова восстанавливается с использованием фильтра нижних частот на выходе.

Усилитель класса D - это усилитель с наивысшим КПД класса в сегментах A, B, AB, а также C и D. Он имеет меньшее тепловыделение, поэтому требуется небольшой радиатор. Схема требует различных переключающих компонентов, например, полевых МОП-транзисторов с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но мы должны помнить, что это не цифровой преобразователь. Хотя для более высоких частот усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения полосы пропускания в зависимости от возможностей фильтра нижних частот и модуля преобразователя.

Другие классы усилителей

Помимо традиционных усилителей, есть еще несколько классов: класс E, класс F, класс G и H.

Усилитель класса E - это высокоэффективный усилитель мощности, использующий топологию переключения и работающий в радиочастотах. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основными компонентами, используемыми с усилителем класса E.

Класс F - усилитель с высоким импедансом по гармоникам. Он может управляться прямоугольной или синусоидальной волной. Для входа синусоидальной волны этот усилитель может быть настроен с помощью катушки индуктивности и может использоваться для увеличения усиления.

Класс G использует переключение шин для снижения энергопотребления и повышения эффективности. А класс H - это дальнейшая улучшенная версия класса G.

Дополнительные классы - усилители специального назначения. В некоторых случаях буквы предоставляются производителем для обозначения их патентованного дизайна. Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является товарным знаком особого типа переключающего усилителя класса D, используемого в технологиях усилителей Tripath, который представляет собой запатентованную конструкцию.