Меню

Схемотехника классы усилителей мощности

Классы усилителей мощности. Усилители классов А, В, АВ, С

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 29.04.2017 2017-04-29

Статья просмотрена: 17957 раз

Библиографическое описание:

Сурков, О. А. Классы усилителей мощности. Усилители классов А, В, АВ, С / О. А. Сурков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 17 (151). — С. 82-86. — URL: https://moluch.ru/archive/151/42852/ (дата обращения: 23.03.2021).

Принцип разбиения усилителей по классам.

Усилители мощности применяются в огромном количестве электронных приборов: звуковых системах, электродвигателях, устройствах с беспроводной передачей энергии и т.д. При этом существует несколько разновидностей усилителей и при проектировании схемы зачастую встаёт вопрос о том, который из существующих типов лучше всего подходит для данного случая.

Основными характеристиками усилителя мощности являются: линейность, коэффициент усиления, эффективность и выходная мощность. В действительности (в реальных условиях) первоочередными для рассмотрения являются эффективность усилителя и линейность получаемого сигнала. При проектировании реального усилителя все эти характеристики вывести на высокий уровень не получается, приходится искать компромиссный вариант.

Существует несколько вариантов классификации усилителей мощности, но наиболее часто используют разделения на классы. Класс усилителя определяется режимом работы активного элемента (усилительного каскада из транзистора/транзисторов) и параметрами схемы и входящих в неё элементов. Среди классов можно найти схемы с полностью линейным режимом работы, но с низкой эффективностью, и абсолютно нелинейным режимом, эффективность которых намного выше.

Таким образом, усилители мощности можно разделить на 2 группы. К первой можно отнести усилители, у которых режим работы зависит от выбранного угла проводимости транзистора. К этой группе относятся достаточно распространённые классы А, В, АВ и С, в которых характер работы транзисторов можно описать как среднее между полностью открытым и закрытым состояниями. Значение угла проводимости для транзисторов таких усилителей варьируется от 360° (полностью открытый транзистор в течение всего периода) до 90° (пропускается только четверть сигнала, остальное время транзистор закрыт). В аудиосистемах используются эти классы усилителей и именно о них речь пойдёт в этой статье.

Ко второй же группе относятся усилители, в которых транзисторы работают в ключевом режиме. К этой группе усилителей классы D, E, G, S, T и т.д.

Усилитель мощности класса А.

Усилители класса А (рисунок 1) из-за своей конструкции являются самыми простыми из всех перечисленных раннее. По сути усилитель класса А — это биполярный транзистор с общим эмиттером (или полевой транзистор с общим истоком) с углом проводимости сигнала 360º. Стоит отметить что транзистор всегда открыт и через него постоянно течёт ток. Чтобы транзистор был всегда открытым, задаётся ток смещения на базе. Значение тока смещения подбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области линейного усиления с минимальными (полностью отсутствующими в идеальном случае) искажениями. Это его главное преимущество и недостаток одновременно, так как выходной сигнал получается практически неискажённым, но потери энергии при использовании такого усилителя самые большие (в сравнении с другими классами). [1, c. 385-387]

Эффективность усилителей класса А из-за непрерывной работы крайне низкая и может падать до значений в 25 % [1, c. 387], что делает такие модели непригодными для усиления сигналов высоких мощностей. Также данный класс предъявляет большие требования к источнику питания: сигнал от источника питания должен быть отфильтрован, потому что транзистор находится в открытом состоянии постоянно и любые помехи от источника питания усиливаются и передаются на выход.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс А.png

Рис. 1. Схема усилителя класса А и выбор рабочей точки транзистора [5]

Усилитель мощности класса В.

При создании усилителя класса В (рисунок 2) конструкторы старались избежать проблем с тепловыми потерями и низкой эффективностью. Самая простая схема класса В включает в себя 2 дополняющих друг друга биполярных (полевых) транзистора, каждый из которых усиливает только половину выходного сигнала. В усилителе класса В постоянный ток смещения на базе отсутствует, транзисторы проводят ток только при наличии соответствующего управляющего сигнала, а ток покоя на этих транзисторах крайне мал. Эти факторы приводят к большему значению эффективности усилителя, чем у класса А, но выходной сигнал при этом имеет нелинейные искажения.

Данная схема состоит из пары последовательно соединённых транзисторов одного типа, но разной полярности. Эта пара транзисторов управляется от одного источника напряжения, генерирующего гармонический сигнал. Таким образом, они работают поочерёдно, по половине периода каждый. Если подаётся положительный сигнал, то транзистор NPN (n-канальный) открыт и наоборот. На выходе результаты работы обоих транзисторов складываются в единый линейный сигнал при угле проводимости каждого из транзисторов 180°. Такая двухтактная конструкция существенно увеличивает среднюю эффективность усилителя, примерно до 50 %, но вместе с этим и добавляет нелинейное искажение в выходной сигнал в момент пересечения нулевого значения напряжения. [2, c. 643-644]

Читайте также:  Керамические нагреватели потребляемая мощность

Поскольку для каждого транзистора существует своё напряжение насыщения базы-эмиттера (как правило, положительное для NPN и отрицательное для PNP), то в момент, когда управляющее напряжение находится в интервале между этими значениями, оба транзистора закрыты, поэтому часть усиливаемого сигнала пропадает.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс В.png

Рис. 2. Схема усилителя класса В и выбор рабочей точки транзистора [5]

Усилитель класса АВ.

Усилитель класса В в значительной мере снижает тепловые потери и повышает эффективность, но уступает при этом по параметру линейности выходного сигнала классу А. С целью решить обе проблемы был разработан усилитель класса АВ (усилитель класса АВ), который совмещает в себе оба этих режима и является наиболее распространённым классом линейного усилителя. [3, c. 34-35]

В усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом, чтобы угол проводимости транзисторов был в пределах от 180° до 360° (в большинстве случаев угол незначительно превышает 180°). Таким образом каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала до пересечения нулевого значения, а чуть больше, и искажение выходного сигнала сглаживается, поскольку сигнал усиливается целиком без скачков и провалов, связанных с переключением транзисторов. Для того чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов к базам (затворам) подключаются несколько диодов и/или резисторов. [4, c. 396]

Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В — порядка 50 %, но они сильно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, данный класс линейных усилителей используется наиболее часто. Наиболее широкое применение усилители АВ находят в аудиоусилителях, поскольку при достаточно высоких показателях эффективности они могут дать на выходе неискажённый сигнал.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс АВ.png

Рис. 3. Схема усилителя класса АВ и выбор рабочей точки транзистора [5]

Усилитель класса С.

Усилители А, В и АВ иногда называют линейными потому, что их амплитуда и фаза их выходного сигнала связана линейной зависимостью с амплитудой и фазой входного сигнала Класс С в свою очередь нельзя назвать линейным согласно приведённому выше критерию, но в ключевом режиме он также не работает. Метод же управления транзистором в классе С такой же: выбор нужной рабочей точки транзистора с помощью установки смещения на базе (затворе). Таким образом усилитель класса С относится к той же подгруппе, что и описанные ранее классы.

Из всех усилителей этой подгруппы класс С достигает наивысших значений эффективности, однако при этом выходной сигнал очень сильно искажается. На базе транзистора класса С задаётся такое смещение, чтобы он был закрыт больше половины периода входного сигнала. Иными словами угол проводимости транзистора в классе С задаётся в интервале от 0° до 180°. Поскольку большую часть времени транзистор закрыт, то и потери на нём минимизированы, а эффективность благодаря этому может достигать 100 % в идеальном случае. [1, c. 403, 405]

Из-за сильного искажения выходного сигнала усилители класса С не используются в аудиоусилителях, но они находят широкое применение в высокочастотных генераторах синусоидальных сигналов и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, создаваемые на выходе усилителя, могут быть преобразованы в полный синусоидальный сигнал определённой частоты за счёт резонансного L-C контура, подключённого к выходу усилителя. [4, c. 106-107]

C:\Users\Олегзей\Desktop\Литература\БМС. Электроника\Статья\Класс С.png

Рис. 4. Схема усилителя класса С и выбор рабочей точки транзистора [5]

Заключение.

При классификации усилителей по режиму работы транзистора выделяют две основные большие группы: управляемые смещением на базе/затворе и ключевые усилители. В первой группе класс определяется выбором угла проводимости через установку рабочей точки транзистора. Для усилителей класса А угол проводимости равен 360° и характерны крайне низкая эффективность (может падать до 25 %) и линейное усиление без искажений выходного сигнала. Усилители класса В имеют угол проводимости 180°, эффективность порядка 50 % за счёт двухтактной системы усиления сигнала. Однако, такая система вносит нелинейные искажения в сигнал в области пересечения нулевого значения. В усилителях класса АВ угол проводимости берётся несколько больше 180° (конкретное значение зависит от параметров схемы), эффективность порядка 50-60 %, а нелинейные искажения в области нуля, характерные для класса В, полностью отсутствуют (для идеального случая). Усилители класса С определяются углом проводимости транзистора от 0° до 180°, эффективность в среднем 70-80 %, но сигнал претерпевает сильные нелинейные искажения.

Читайте также:  Светодиодные светильники мощностью 5 ватт

Усилитель класса А используется редко ввиду малой эффективности, но простота его реализации может сделать его выбор оправданным для схем с малыми мощностями. Классы В и АВ очень широко применяются в звуковых усилителях из-за одновременно хороших показателей эффективности и линейности сигнала. Усилитель класса С применяется в высокочастотных генераторах или радиоусилителях с использованием резонансного L-C контура.

C:\Users\Олегзей\Desktop\Классы усилителей.png

Рис. 5. Классы усилителей и соответствующие им средние значения эффективности и угла проводимости [5]

Источник



Классы усилителей. Устройство и принципы работы

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

Читайте также:  Общий коэффициент мощности cos

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Источник