Классы усилителей сигнала и мощности

В данной статье мы подробно рассмотрим классификации усилителей: A, B, AB, C и от D до T. В конце статьи таблица классов усилителей по углу проводимости.

Классификация

Усилители классифицируются по классам в зависимости от их конструкции и эксплуатационных характеристик.

Не все усилители одинаковы, и существует четкое различие между настройкой и работой их выходных каскадов. Основными рабочими характеристиками идеального усилителя являются линейность, усиление сигнала, эффективность и выходная мощность, но в реальных усилителях всегда существует компромисс между этими различными характеристиками.

Как правило, большие усилители сигнала или мощности используются на выходных каскадах аудиоусилителей для управления нагрузкой громкоговорителя. Типичный громкоговоритель имеет импеданс от 4 Ом до 8 Ом, поэтому усилитель мощности должен быть способен подавать высокие пиковые токи, необходимые для возбуждения низкоомного динамика.

Один метод, используемый для различения электрических характеристик усилителей разных типов, относится к «классу», и в качестве таких усилителей классифицируются в соответствии с их схемотехнической конфигурацией и методом работы. Тогда Классы усилителей — это термин, используемый для различения разных типов усилителей.

Классы усилителя представляют величину выходного сигнала, которая изменяется в схеме усилителя в течение одного цикла работы при возбуждении синусоидальным входным сигналом. Классификация усилителей варьируется от полностью линейного режима (для использования при усилении сигнала высокой точности) с очень низкой эффективностью до полностью нелинейного (где точное воспроизведение сигнала не так важно), но с гораздо более высоким КПД, в то время как другие являются компромиссом между двумя.

Классы усилителей в основном объединены в две основные группы. Первыми являются классически управляемые усилители угла проводимости, формирующие более распространенные классы усилителей A, B, AB и C , которые определяются длиной их состояния проводимости на некоторой части выходного сигнала, так что работа транзистора выходного каскада лежит где-то между «полностью включен» и «полностью выключен».

Второй набор усилителей — это более новые так называемые «переключающие» классы усилителей D, E, F, G, S, T и т.д., Которые используют цифровые схемы и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для постоянного переключения сигнала между «полностью ВКЛ.» и «полностью ВЫКЛ.», приводящие к сильному выходу в области насыщения и обрезания транзисторов.

Наиболее часто создаваемые классы усилителей — это классы, которые используются в качестве аудиоусилителей, в основном, классы A, B, AB и C, и, для простоты, именно эти типы классов усилителей мы рассмотрим здесь более подробно.

Усилитель класса А

Усилители класса А являются наиболее распространенным типом усилителей класса в основном благодаря их простой конструкции. Класс A буквально означает «лучший класс» усилителя, в основном из-за их низких уровней искажения сигнала и, вероятно, является лучшим звучанием из всех классов усилителей, упомянутых здесь. Усилитель класса А имеет самую высокую линейность по сравнению с другими классами усилителей и, как таковой, работает в линейной части кривой характеристик.

Обычно усилители класса A используют один и тот же транзистор (биполярный, полевой транзистор, IGBT и т.д.), подключенный в общей конфигурации эмиттера для обеих половин сигнала, причем транзистор всегда проходит через него, даже если у него нет базового сигнала. Это означает, что выходной каскад, будь то биполярное устройство, устройство MOSFET или IGBT, никогда не приводится полностью в свои области отсечки или насыщения, а вместо этого имеет базовую точку смещения Q в середине линии нагрузки. Тогда транзистор никогда не выключается, что является одним из его основных недостатков.

картинка-схема усилителя класса А

Для достижения высокой линейности и усиления выходного каскада усилителя класса A постоянно смещен в положение «ВКЛ» (проводящий). Затем для того, чтобы усилитель был классифицирован как «класс A», нулевой ток холостого хода на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки (обычно громкоговоритель), необходимый для получения наибольшего выходного сигнала.

Поскольку усилитель класса А работает в линейной части своих характеристических кривых, одно выходное устройство проходит через полные 360 градусов выходного сигнала. Тогда усилитель класса А эквивалентен источнику тока.

Поскольку усилитель класса A работает в линейной области, напряжение смещения постоянного тока (или затвора) базы транзисторов должно быть выбрано правильно, чтобы обеспечить правильную работу и низкий уровень искажений. Однако, поскольку выходное устройство постоянно включено, оно постоянно проводит ток, который представляет собой постоянную потерю мощности в усилителе.

Из-за этой постоянной потери мощности усилители класса A создают огромное количество тепла, добавляя к их очень низкому КПД около 30%, что делает их непрактичными для мощных усилителей. Кроме того, из-за высокого тока холостого хода усилителя, источник питания должен иметь соответствующие размеры и быть хорошо отфильтрованными, чтобы избежать любого гула и шума усилителя. Поэтому из-за низкой эффективности и проблем перегрева усилителей класса A были разработаны более эффективные классы усилителей.

Усилитель класса B

Усилители класса B были изобретены как решение проблем эффективности и нагрева, связанных с предыдущим усилителем класса A. Усилитель базового класса B использует два дополнительных транзистора, либо биполярные из полевых транзисторов, для каждой половины формы сигнала, а его выходной каскад сконфигурирован по схеме «двухтактный», так что каждое транзисторное устройство усиливает только половину выходного сигнала.

В усилителе класса B отсутствует базовый ток смещения постоянного тока, поскольку его ток покоя равен нулю, так что мощность постоянного тока мала, и, следовательно, его эффективность намного выше, чем у усилителя класса А. Однако цена, уплачиваемая за повышение эффективности, заключается в линейности коммутационного устройства.

картинка-схема усилителя класса В

Когда входной сигнал становится положительным, транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор выключен. Аналогично, когда входной сигнал становится отрицательным, положительный транзистор выключается, а отрицательный смещенный транзистор включается и проводит отрицательную часть сигнала. Таким образом, транзистор проводит только половину времени либо в положительном, либо в отрицательном полупериоде входного сигнала.

Затем мы можем видеть, что каждое транзисторное устройство усилителя класса B проводит только через половину или 180 градусов выходного сигнала в строгом временном чередовании, но поскольку выходной каскад имеет устройства для обеих половин сигнала, эти две половины объединяются вместе для получения полного линейного выходного сигнала.

Эта двухтактная конструкция усилителя, очевидно, более эффективна, чем класс A, примерно на 50%, но проблема с конструкцией усилителя класса B заключается в том, что она может создавать искажения в точке пересечения нуля сигнала из-за мертвой зоны транзисторов входных базовых напряжений от -0,7 В до +0,7.

Мы помним из учебника по транзисторам, что требуется напряжение базового эмиттера около 0,7 вольт, чтобы заставить биполярный транзистор начать проводку. Затем в усилителе класса B выходной транзистор не «смещен» до состояния «ВКЛ», пока не будет превышено это напряжение.

Это означает, что та часть сигнала, которая попадает в это окно 0,7 В, не будет воспроизводиться точно, что делает усилитель класса B непригодным для применения в прецизионных усилителях звука.

Чтобы преодолеть это искажение при пересечении нуля (также известное как перекрёстное искажение), были разработаны усилители класса AB.

Усилитель класса AB

Как следует из названия, усилитель класса AB представляет собой комбинацию усилителей типа «класс A» и «класс B», которые мы рассмотрели выше. Классификация усилителя AB в настоящее время является одним из наиболее распространенных типов конструкции усилителя мощности звука. Усилитель класса AB является разновидностью усилителя класса B, как описано выше, за исключением того, что обоим устройствам разрешено проводить в одно и то же время вокруг точки пересечения осциллограмм, что устраняет проблемы искажения кроссовера предыдущего усилителя класса B.

Два транзистора имеют очень небольшое напряжение смещения, обычно от 5 до 10% от тока покоя, чтобы сместить транзисторы чуть выше его точки отсечки. Тогда проводящее устройство, либо биполярное из полевого транзистора, будет включено в течение более одного полупериода, но намного меньше, чем один полный цикл входного сигнала. Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше, чем половину цикла проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Другими словами, угол проводимости усилителя класса AB находится где-то между 180 o и 360 o в зависимости от выбранной точки смещения.

картинка-схема усилителя класса АВ

Преимущество этого небольшого напряжения смещения, обеспечиваемого последовательными диодами или резисторами, состоит в том, что перекрестное искажение, создаваемое характеристиками усилителя класса B, преодолевается без неэффективности конструкции усилителя класса A. Таким образом, усилитель класса AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, при этом эффективность преобразования достигает примерно от 50% до 60%.

Усилитель класса C

Конструкция усилителя класса C обладает наибольшей эффективностью, но самой плохой линейностью среди классов усилителей, упомянутых здесь. Предыдущие классы A, B и AB считаются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходных сигналов линейно связаны с амплитудой и фазой входных сигналов.

Однако усилитель класса C сильно смещен, так что выходной ток равен нулю в течение более половины цикла синусоидального входного сигнала, когда транзистор находится в режиме ожидания в точке его отключения. Другими словами, угол проводимости для транзистора значительно меньше 180 градусов и, как правило, составляет около 90 градусов.

Хотя эта форма смещения транзистора дает значительно улучшенную эффективность усилителя, составляющую примерно 80%, она вносит очень сильные искажения в выходной сигнал. Поэтому усилители класса C не подходят для использования в качестве усилителей звука.

картинка-схема усилителя класса С

Из-за сильного искажения звука усилители класса C обычно используются в высокочастотных синусоидальных генераторах и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, генерируемые на выходе усилителей, могут быть преобразованы в синусоидальные волны определенной частоты использование LC резонансных цепей в его коллекторной цепи.

Другие распространенные классы усилителей

  • Усилитель класса D — это нелинейный импульсный усилитель или ШИМ-усилитель. Усилители класса D теоретически могут достигать 100% эффективности, так как в течение цикла не существует периода, когда формы напряжения и тока перекрываются, так как ток подается только через включенный транзистор.
  • Усилитель класса F повышают как эффективность, так и выходную мощность благодаря использованию гармонических резонаторов в выходной сети для преобразования формы выходного сигнала в прямоугольную волну. Усилители класса F способны обеспечить высокую эффективность более 90%, если используется бесконечная гармоническая настройка.
  • Усилитель класса G предлагает усовершенствования конструкции усилителя базового класса AB. Класс G использует несколько шин питания различных напряжений и автоматически переключается между этими линиями питания при изменении входного сигнала. Такое постоянное переключение снижает среднее энергопотребление и, следовательно, потери мощности, вызванные потерей тепла.
  • Усилитель класса I имеет два набора дополнительных выходных переключающих устройств, расположенных в параллельной двухтактной конфигурации, причем оба набора переключающих устройств дискретизируют один и тот же входной сигнал. Одно устройство переключает положительную половину сигнала, а другое переключает отрицательную половину, как усилитель класса B. При отсутствии входного сигнала или когда сигнал достигает точки пересечения нуля, переключающие устройства включаются и выключаются одновременно с рабочим циклом ШИМ 50%, что отменяет любые высокочастотные сигналы. Для получения положительной половины выходного сигнала выходной сигнал положительного переключающего устройства увеличивается в рабочем цикле, тогда как отрицательное переключающее устройство уменьшается на то же самое, и наоборот. Считается, что два токовых сигнала переключения чередуются на выходе, давая усилителю класса I имя: «чередующийся ШИМ-усилитель», работающий на частотах переключения более 250 кГц.
  • Усилитель класса S — это усилитель нелинейного режима переключения, аналогичный по своему действию усилителю класса D. Усилитель класса S преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с помощью дельта-сигма-модулятора и усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность, прежде чем окончательно демодулировать с помощью полосового фильтра. Поскольку цифровой сигнал этого переключающего усилителя всегда либо полностью включен, либо выключен (теоретически нулевое рассеивание мощности), возможны коэффициенты полезного действия, достигающие 100%.
  • Усилитель класса T — это еще один тип цифрового усилителя с коммутацией. Усилители класса T в наши дни становятся все более популярными в качестве конструкции усилителя звука из-за наличия микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и многоканальных усилителей объемного звука, поскольку он преобразует аналоговые сигналы в сигналы с цифровой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для усиление, увеличивающее эффективность усилителей. Конструкции усилителей класса T сочетают в себе уровни сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB и коэффициент полезного действия усилителя класса D.

Мы видели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Краткое описание классов усилителей

Мы увидели, что рабочая точка постоянного тока Q усилителя определяет классификацию усилителя. Устанавливая положение точки Q наполовину на линии нагрузки кривой характеристик усилителей, усилитель будет работать как усилитель класса А. Перемещая Q вниз по линии нагрузки изменит усилитель в классе АВ, В или С.

Тогда класс работы усилителя относительно его рабочей точки постоянного тока может быть задан как:

диаграмма классов усилителей

Мы рассмотрели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Таблица классов усилителей по углу проводимости

Усилители класса АВ, В и С могут быть определены в терминах угла проводимости θ следующим образом:

Классы усилителейОписаниеУгол проводимости
Класс АПолный цикл 360 o проводимостиθ = 2π
Класс ВПоловина цикла 180 o проводимостиθ = π
Класс ABЧуть более 180 o проводимостиπ <θ <2π
Класс СЧуть менее 180 o проводимостиθ <π
От класса D до TВКЛ-ВЫКЛ нелинейное переключениеθ = 0

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanderss.ru © 2020

Adblock
detector