Класи підсилювачів потужності

В електроніці підсилювач є найбільш часто використовуваним пристроєм з величезними можливостями застосування. У аудіоелектронній електроніці попередній підсилювач та підсилювачі потужності - це два різні типи підсилювальних систем, які використовуються для цілей, пов’язаних із посиленням звуку. Але, крім цієї спеціальної мети, існують величезні відмінності в різних типах підсилювачів, в основному в підсилювачах потужності. Отже, тут ми розглянемо різні класи підсилювачів разом з їх перевагами та недоліками.

Класифікації підсилювачів за допомогою літер

Класи підсилювачів - це ідентичність продуктивності та характеристик підсилювача. Різні типи підсилювачів потужності дають різні відгуки при пропусканні через них струму. Відповідно до їхніх специфікацій, підсилювачам присвоюються різні літери або алфавіти, які представляють їх класи. Існують різні класи підсилювачів, починаючи з A, B, C, AB, D, E, F, T тощо. З цих класів найчастіше використовуються класи підсилювачів звуку A, B, AB, C. Інші класи - це сучасні підсилювачі, які використовують комутаційні топології та техніку ШІМ (модуляція широти імпульсу) для керування вихідним навантаженням. Іноді вдосконаленим версіям традиційних класів присвоюється буква, щоб класифікувати їх як інший клас підсилювача, як підсилювач класу G - це модифікований підсилювач класу підсилювача класу B або класу AB.

Класи підсилювача представляють пропорцію вхідного циклу, коли струм пропускається через підсилювач. Вхідний цикл - це кут провідності, що походить від провідності синусоїдальної хвилі на вході підсилювача. Цей кут провідності дуже пропорційний підсилювачам в часі протягом повного циклу. Якщо підсилювач завжди включений під час циклу, кут провідності буде 360 градусів. Отже, якщо підсилювач забезпечує 360-градусний кут провідності, тоді підсилювач використовує повний вхідний сигнал та активний елемент, що проводиться через 100% проміжок часу повного синусоїдального циклу.

Нижче ми продемонструємо традиційні класи підсилювачів потужності від класів A, B, AB і C, а також продемонструємо підсилювач класу D, який широко використовується в конструкціях комутації. Ці класи використовуються не тільки в підсилювачі потужності, але також використовуються в схемах підсилювачів звуку.

Підсилювач класу А.

Підсилювач класу А - це підсилювач з високим коефіцієнтом посилення з високою лінійністю. У випадку підсилювача класу А кут провідності становить 360 градусів. Як ми вже говорили вище, кут провідності 360 градусів означає, що підсилювач залишається активним протягом усього часу і використовує повний вхідний сигнал. На зображенні нижче показано підсилювач ідеального класу А.

Як ми бачимо на зображенні, є один активний елемент - транзистор. Зміщення транзистора постійно залишається увімкненим. Завдяки цій функції ніколи не вимикається, підсилювач класу A забезпечує кращу стабільність високої частоти та зворотного зв'язку. Окрім цих переваг, підсилювач класу A легко побудувати за допомогою компонента з одним пристроєм та мінімальної кількості деталей.

Незважаючи на переваги та високу лінійність, безумовно, він має багато обмежень. Через постійну провідну природу підсилювач класу А приносить великі втрати потужності. Крім того, завдяки високій лінійності підсилювач класу А забезпечує спотворення та шуми. Блок живлення та конструкція зміщення потребують ретельного підбору компонентів, щоб уникнути небажаного шуму та мінімізувати спотворення.

Через великі втрати потужності в підсилювачі класу А він випромінює тепло і вимагає більшого простору радіатора. Ефективність дуже низька у підсилювачів класу А, теоретично, ефективність коливається в межах від 25 до 30%, якщо використовувати їх у звичайній конфігурації. Ефективність може бути покращена за допомогою індуктивно пов'язаної конфігурації, але ефективність у такому випадку становить не більше 45-50%, отже, вона підходить лише для цілей посилення низького сигналу або низького рівня потужності.

Підсилювач класу B

Підсилювач класу В дещо відрізняється від класу А. Він створюється за допомогою двох активних пристроїв, які проводять половину фактичного циклу, тобто 180 градусів циклу. Два пристрої забезпечують комбінований струмовий привід для навантаження.

На зображенні вище показано конфігурацію підсилювача Ideal Class B. Він складається з двох активних пристроїв, які зміщуються по черзі під час позитивного та негативного напівциклів синусоїдальної хвилі, і, таким чином, сигнал підштовхується або тягнеться до посиленого рівня як з позитивної, так і з негативної сторони, і поєднуючи результат, ми отримуємо повний цикл на виході. Кожен пристрій увімкнувся або став активним в половині циклу, і завдяки цьому ефективність покращується, порівняно з 25-30% ефективністю підсилювача класу А, теоретично вона забезпечує понад 60% ефективності. На наведеному нижче зображенні ми можемо побачити графік вхідного та вихідного сигналів кожного пристрою. Ефективність не більше 78% для підсилювача класу B . Відведення тепла в цьому класі мінімізоване, забезпечуючи низький простір тепловідводу.

Але цей клас також має обмеження. Дуже глибоким обмеженням цього класу є спотворення кросовера. Оскільки два пристрої забезпечують кожну половину синусоїдальних хвиль, які поєднуються і з’єднуються через вихід, у цій області виникає невідповідність (перехрещення), де поєднуються дві половини. Це пов’язано з тим, що коли один пристрій закінчує напівцикл, інший повинен забезпечувати однакову потужність майже в той самий час, коли інший закінчує роботу. Важко виправити цю помилку в підсилювачі класу А, оскільки під час активного пристрою інший пристрій залишається повністю неактивним. Помилка забезпечує спотворення вихідного сигналу. Через це обмеження це серйозна невдача для точного підсилювача звуку.

Підсилювач класу AB

Альтернативний підхід, щоб подолати перехресне спотворення, щоб використовувати підсилювач AB. Підсилювач класу AB використовує проміжний кут провідності як класів A, так і B, отже, ми можемо побачити властивості підсилювача класу A і класу B в цьому топологічному підсилювачі класу AB. Так само, як і клас B, він має однакову конфігурацію з двома активними пристроями, які проводять протягом половини циклів окремо, але кожен пристрій зміщується по-різному, тому вони не повністю вимикаються під час непридатного моменту (кросоверний момент). Кожен пристрій не залишає провідності відразу після завершення половини синусоїдальної форми сигналу, натомість вони проводять невелику кількість вхідного сигналу протягом іншого напівцикла. Використовуючи цю техніку упередження, невідповідність кросовера в мертвій зоні різко зменшується.

Але в цій конфігурації ефективність знижується, оскільки лінійність пристроїв порушується. Ефективність залишається більшою, ніж ефективність типового підсилювача класу А, але вона менша, ніж система підсилювача класу В. Крім того, діоди потрібно ретельно вибирати з точно однаковим рейтингом і розміщувати їх якомога ближче до вихідного пристрою. У деяких конструкціях схем дизайнери, як правило, додають резистор невеликої величини, щоб забезпечити стабільний струм спокою на пристрої, щоб мінімізувати спотворення на виході.

Підсилювач класу С

Окрім підсилювача класу A, B та AB, є ще один підсилювач класу C. Це традиційний підсилювач, який працює інакше, ніж інші підсилювачі класів. Підсилювач класу C - це налаштований підсилювач, який працює в двох різних режимах роботи, налаштованому або не налаштованому. Ефективність підсилювача класу C набагато більша, ніж A, B та AB. Максимальна ефективність 80% може бути досягнута в операціях, пов'язаних з радіочастотою

Підсилювач класу С використовує кут провідності менше 180 градусів. Під час настроюваного режиму розділ тюнера не вказано в конфігурації підсилювача. У цій операції підсилювач класу С також дає величезні спотворення на виході.

Коли ланцюг піддається налаштованому навантаженню, схема затискає рівень вихідного зміщення із середньою вихідною напругою, рівною напрузі живлення. Налаштована операція називається затискачем. Під час цієї операції сигнал набуває належної форми, а центральна частота стає менш спотвореною.

Зазвичай використання підсилювача класу С забезпечує ефективність 60-70%.

Підсилювач класу D

Підсилювач класу D - це імпульсний підсилювач, який використовує модуляцію ширини імпульсу або ШІМ. Кут провідності не є фактором у тому випадку, коли прямий вхідний сигнал змінюється зі змінною шириною імпульсу.

У цій підсилювальній системі класу D лінійний коефіцієнт підсилення не приймається, оскільки вони працюють так само, як типовий перемикач, який має лише дві операції, УВІМК.

Перед обробкою вхідного сигналу аналоговий сигнал перетворюється в імпульсний потік різними методами модуляції, а потім подається на підсилювальну систему. Оскільки тривалість імпульсів пов'язана з аналоговим сигналом, він знову відновлюється за допомогою фільтра низьких частот на виході.

Підсилювач класу D - це найвищий енергоефективний підсилювач класу в сегментах A, B, AB, C і D. Він має меншу тепловіддачу, тому необхідний невеликий радіатор. Схема вимагає різних комутаційних компонентів, таких як MOSFET, які мають низький опір.

Це широко застосовувана топологія в цифрових аудіоплеєрах або для керування двигунами. Але слід пам’ятати, що це не цифровий перетворювач. Хоча для більш високих частот підсилювач класу D не є ідеальним вибором, оскільки він має обмеження пропускної здатності в декількох випадках залежно від фільтра низьких частот та можливостей модуля перетворювача.

Інші класи підсилювачів

Окрім традиційних підсилювачів, є ще кілька класів, які є класом E, класом F, класом G та H.

Підсилювач класу Е - це високоефективний підсилювач потужності, який використовує комутаційні топології та працює на радіочастотах. Однополюсний комутаційний елемент і налаштована реактивна мережа є основним компонентом, який використовується з підсилювачем класу E.

Клас F - підсилювач високого імпедансу щодо гармонік. Її можна керувати за допомогою квадратної хвилі або синусоїди. Для входу синусоїдальної хвилі цей підсилювач може бути налаштований за допомогою індуктивності і може використовуватися для збільшення коефіцієнта посилення.

Клас G використовує перемикання рейок для зменшення енергоспоживання та підвищення ефективності. А клас H - ще одна вдосконалена версія класу G.

Додатковими класами є підсилювач спеціального призначення. У деяких випадках літери надаються виробником для позначення їх власного дизайну. Одним з найкращих прикладів є підсилювач класу T, який є товарним знаком для спеціального типу комутаційних підсилювачів класу D, що використовується для підсилювальних технологій Tripath, що є запатентованою конструкцією.