Как работает усилитель класса «G» и «H», или На ступень выше • Stereo.ru

С усилителями классов G и H, как только они появились на свет, началась изрядная неразбериха. Эти технологии имеют куда больше общих черт, нежели отличий, поэтому их частенько путают между собой, а одну и ту же технологию в зависимости от страны могут обозначать разными буквами. Но как их ни назови, суть дела принципиально не меняется. И класс G, и класс H являются ближайшими родственниками класса АВ, но превосходят его по энергоэффективности. Иными словами — продолжают общую тенденцию развития усилителей, которая наметилась с появлением класса В.

История

Предпосылкой к созданию усилителей класса G был факт нелинейности уровня музыкального сигнала. Большую часть времени музыка звучит на малом и среднем уровне, когда от усилителя не требуется большая мощность. Но для того, чтобы без потерь отработать редко встречающиеся в музыке динамические всплески, требующие большой отдачи энергии, усилитель приходится держать в режиме высокой мощности постоянно. В то же время из соображений экономии было бы неплохо, если бы блок питания усилителя работал на полную лишь в те моменты, когда это требуется для отработки громких звуков, а все остальное время потреблял меньше энергии от сети.

Над этой задачей думало немало инженеров середины ХХ века, но первым решил ее в 1964 году сотрудник NASA Мануэль Крамер. Он разработал схемотехнику, в которой усилитель имеет несколько шин питания, и их переключение меняет мощность (и энергопотребление) усилителя в зависимости от того, какова величина громкости входящего сигнала.

Первое практическое применение схемотехнике класса G нашли инженеры Hitachi, наладившие серийный выпуск усилителей такого типа в 1977 году. Именно в тот момент и появилось само понятие «класс G». Аналогичную схему в 1981 году реализовал небезызвестный Боб Карвер и дал своему детищу другое маркетинговое название — «класс H», на некоторое время закрепившееся в американской прессе. Несколько позже схема пережила существенное усовершенствование и появился тот вариант, который сейчас и называют классом H, а все предыдущие вариации, включая то, что изначально делал Боб Карвер, были объединены под названием «класс G».

Принцип работы

Принцип работы усилителей класса G и класса H можно описать буквально в двух словах. Их сигнальная часть аналогична усилителям класса АВ и на малой громкости работает в точно таком же режиме (напомним, что на низких уровнях сигнала класс AB работает в классе А). Весь секрет кроется в блоке питания, который отслеживает уровень входящего сигнала. Как только уровень громкости поднимается, блок питания повышает напряжение питания, тем самым давая возможность усилителю работать с большей амплитудой, и понижает напряжение, как только уровень сигнала на входе падает.

Отличие класса G от класса H кроется в том, как именно происходит изменение уровня напряжения питания. В классе G блок питания имеет несколько обмоток трансформатора, формирующих питающие шины с разными уровнями напряжения. При повышении уровня входящего сигнала происходит дискретное повышение напряжения питания — либо путем перехода на более высоковольтную шину, либо путем суммирования напряжений основной и дополнительной шин питания.

Таких ступеней повышения питания может быть несколько. В упрощенном виде это происходит следующим образом: пока уровень сигнала находится на малом уровне, усилитель имеет максимальную мощность 10 Вт. Как только уровень громкости повышается, подключается дополнительное питание, и запас мощности увеличивается до 100 Вт, а на пиках подключается еще один каскад питания, и усилитель выдает 300 Вт. Поскольку даже в самой ритмичной и агрессивной музыке большие энергетические всплески непостоянны, фактическое энергопотребление усилителя класса G оказывается ближе к показателям его минимальной, а не максимальной мощности.

Появившийся спустя некоторое время класс H фактически является версий класса G с плавно изменяемым уровнем питающего напряжения. Схемы, отслеживающие уровень входящего сигнала, повышают и понижают напряжение питания не ступенчато, а плавно, сообразно величине нарастания и снижения уровня входного сигнала. В простых версиях повышение напряжения питания обеспечивается за счет конденсаторов вольт-добавки, в более сложных — дополнительная секция питания, по сути, представляет собой еще один усилитель мощности. Как и в классе G, на малых уровнях сигнала класс H работает без изменения уровня питающего напряжения аналогично обычному классу АВ.

Плюсы

Очевидный плюс усилителей классов G и H — лучшая энергоэффективность. При прочих равных они потребляют меньше энергии, чем усилители класса АВ. Кроме того, поскольку основную часть времени усилители классов G и H работают с пониженным напряжением питания, они рассеивают меньше тепла и требуют радиаторов меньшего размера, чем аналогичные усилители класса АВ. На фоне более современных усилителей класса D класс G и H имеют одно заметное отличие — сохранение привычного характера звучания, свойственного классу АВ. Если же сравнивать классы G и H между собой, можно отметить простоту конструкции последнего.

Минусы

Продолжая тему снижения энергопотребления, нельзя не отметить и тот факт, что переход от класса А к классу АВ дал куда более существенный прирост КПД усилителя, нежели переход от АВ к G или H. При этом класс D превосходит по энергоэффективности все предыдущие классы куда более существенно, и на его фоне разница между классом АВ и классами G/H начинает казаться совершенно незначительной. В свете этого на первый план выходит вопрос технически более сложной схемотехники классов G и H. Фактически, эта конструкция в полтора-два раза сложнее обычного класса АВ со всеми вытекающими из этого рисками снижения надежности и стабильности работы.

Особенности

Разберемся, что же мы получаем в лице класса G и H с пользовательской точки зрения. Первое — это сочетание компактности, энергоэффективности и классического характера звучания. Если хочется мускулистого, но не слишком прожорливого усилителя, а класс D не устраивает по идеологическим причинам, классы G и H — ваш выбор. Привычный характер класса АВ, дополненный динамикой и мощью класса D, к вашим услугам.

Второе преимущество не столь очевидно, но, в действительности, более значительно. Имея солидный запас энергии, усилители классов G и H лучше справляются со сложной нагрузкой. Такой аппарат куда спокойнее реагирует на акустику с низкой чувствительностью или модели, требующие высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.

Практика

Проверить все вышеописанные тезисы на живом примере мы решили с помощью Arcam HDA SA20. Во-первых, этот аппарат отлично демонстрирует все преимущества класса G, а во-вторых, реальный выбор устройств с такой схемотехникой довольно скуден, особенно на российском рынке.

Имея выходную мощность 90 Вт на канал при импедансе нагрузки 8 Ом, Arcam HDA SA20 демонстрирует скромные габаритные размеры с высотой корпуса в половину типичного интегрированного усилителя такой мощности. Радиаторы установлены внутри и имеют размеры, сравнимые с усилителем класса АВ в полтора-два раза меньшей мощности, наглядно демонстрируя преимущества класса G. В блоке питания используется двухступенчатая схема. Две пары обмоток трансформатора и два набора конденсаторов разной емкости формируют две шины питания: основную и дополнительную, подключаемую при возрастании нагрузки. Весьма показательным является значение гармонических искажений. При нагрузке 80% они составляют 0,002%.

Звук

Скромный на вид Arcam HDA SA20 казался подходящим партнером разве что для полочной акустики, но это тот случай, когда внешность обманчива на все 100%. Усилитель не менял характер звучания и не упускал бас из-под контроля на акустике любой сложности. Самые мощные и требовательные модели подчинялись его воле беспрекословно, выдавая на удивление точный, быстрый и упругий бас, поражающий сочетанием плотности, динамики и тембральной полноты. С лучшими представителями классов А и АВ те же колонки выдавали низкие частоты куда менее сфокусированно, а порой норовили даже размазать ноты или слить их в общий гул без какой-либо конкретики.

Средние и верхние частоты звучали столь же собранно и четко, без всякой выраженной окрашенности и без искажений даже на высокой громкости. Живая музыка и вокал воспроизводились точно как тембрально, так и интонационно.

Каких-либо изменений характера звучания на разных уровнях громкости заметить не удалось. Усилитель играл детально и чисто как на малой, так и на большой громкости. Будучи исключительно сфокусированным, звук Arcam HDA SA20 не казался сухим или пустым. Усилитель просто не добавлял в музыку ничего лишнего. Те записи, которые должны были звучать тепло и выразительно, показывали именно такой характер, а сухие и жесткие миксы не подкрашивались и не смягчались.

Единственный момент, вызвавший некоторые вопросы — построение сцены. Она была достаточно широкой, но казалась плоской, без ощутимой глубины, хотя та же акустика с другими усилителями создавала куда более убедительное ощущение объема. Впрочем — это однозначно говорит лишь о том, что имеется поле для экспериментов. Основные же признаки схемотехники класса G были вполне очевидны и проявили себя наилучшим образом. Кстати, по ходу тестирования Arcam HDA SA20 нагрелся очень умеренно.

Выводы

Если класс АВ имеет полное право называться решением практичным, класс G (и примкнувший к нему класс H) вполне может претендовать на титул с приставкой «супер» или «экстра». Он может все то же самое, что лучшие представители класса АВ, но делает это более легко и красиво. Для того, чтобы получить ту динамику звучания и ту степень контроля баса, которую выдал один скромный усилитель класса G, нам понадобились бы два огромных моноблока, работающих в классе А, один солидный мощник класса АВ или… всего лишь один миниатюрный усилитель класса D. Но это уже совсем другая история. А в мире классической схемотехники классы G и H совершенно однозначно находятся на высшей ступени эволюции.

Усилитель мощности класса F с новой конфигурацией схемы

Введение

Высокочастотные усилители класса F из-за присущей им высокой эффективности находят самое широкое применение в современных портативных устройствах, а также в качестве усилителей мощности для передатчиков базовых станций мобильной связи. Если рассматривать идеальную модель, описывающую функционирование усилителя мощности класса F, то высоко­частотное напряжение на стоке (или коллекторе) имеет прямоугольную форму, а ток стока (или коллектора) имеет форму синусоидальной полуволны [1, 2], как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Идеализированная форма тока стока и напряжения в усилителях мощности класса F

Перекрытия между пиками напряжения и тока стока нет, что означает отсутствие рассеиваемой мощности в транзисторе и теоретический КПД на уровне 100%. Если предполагается, что транзистор работает в ключевом режиме, то форму сигнала на стоке можно менять, управляя гармониками напряжения и тока стока. Это управление достигается использованием в схеме согласования выхода усилителя мощности с его нагрузкой резонаторов, настроенных на гармоники тока и напряжения. Эти резонаторы, установленные непосредственно на выходе транзистора, должны представлять собой разомкнутую цепь для нечетных гармоник и короткое замыкание для четных [3]. Соответственно, напряжение на стоке транзистора выходного усилителя будет содержать только нечетные гармоники, в то время как ток стока будет содержать только лишь четные гармоники.

Форму напряжения стока, показанную на рис. 1, в целом можно описать как [4]:

,        (1)

где: Vdc — постоянное напряжение на стоке; Vd1 — амплитуда первой гармоники напряжения стока; Vdn — амплитуда

n‑й нечетной гармоники напряжения стока.

Аналогично сигнал тока стока можно записать в виде:

, (2)

где: Idc — постоянный ток стока; Id1 — амплитуда первой гармоники тока стока; Idn — амплитуда n‑й четной гармоники тока стока.

Из уравнений (1) и (2) следует, что между основными составляющими напряжения на стоке и током имеется фазовый сдвиг на 180°.

Используя разложение в ряд Фурье, можно доказать, что:

 , (3)

 , (4)

, (5)

 , (6)

где: Vdd — напряжение питания стока; Im — максимальный, или пиковый, ток стока транзистора.

Полное сопротивление (импеданс) стока на основной частоте может быть определено как:

. (7)

Подставляя уравнения (4) и (6) в уравнение (7), получим:

 , (8)

где: Ropt — оптимальное сопротивление линии подключения нагрузки для режима работы усилителя, соответствующего классу F.

Максимальный ток стока Im может быть определен по техническим характеристикам транзистора, приведенным в его спецификации, или путем моделирования его выходной ВАХ, то есть зависимости тока стока от напряжения стока для постоянного тока.

Чтобы избежать искажения импульса тока стока, напряжение стока не должно опускаться ниже напряжения насыщения, поэтому уравнение (8) изменяется на уравнение, приведенное в [5]:

, (9)

где: Vsat — напряжение насыщения выходной ВАХ транзистора.

Необходимыми условиями для достижения оптимального входного импеданса нагрузки стока выходного транзистора являются:. (10)

Традиционная схема усилителя мощности с выходным транзистором, работающим в режиме класса F, представлена на рис. 2 [6].

Рис. 2. Упрощенная электрическая принципиальная схема обычного усилителя мощности класса F

Предполагается, что входной сигнал представляет собой прямоугольный сигнал возбуждения, достаточный для последующего переключения транзистора из выключенного состояния в область насыщения и отсечки. В этой схеме нагрузочное согласующее звено состоит из четвертьволновой линии передачи (в технической литературе известна как λ/4 линия передачи, обычно выполняется из отрезка коаксиального кабеля с учетом коэффициента укорочения) и параллельного колебательного контура, настроенного на основную частоту. Как известно, параллельный колебательный контур имеет высокий импеданс (представляет собой идеально разомкнутую цепь) на частоте резонанса и короткое замыкание на всех других гармонических частотах. Поэтому такой трансформатор линии передачи идеально работает как короткозамкнутый λ/4‑шлейф на всех гармониках, кроме первой. Таким образом, при преобразовании сопротивления нагрузки

RL в нагрузку для выходного транзистора усилителя мощности оно представляет собой повторяющееся короткое замыкание на четных гармониках и повторяющуюся разомкнутую цепь на нечетных гармониках, чем и обеспечивает оптимальное сопротивление линии подключения нагрузки для усилителя класса F на основной частоте.

Общепринятый в настоящее время метод проектирования согласующих каскадов для усилителей мощности класса F основан на использовании элементов с сосредоточенными параметрами, как это показано в [7]. В этой методике каскад сопряжения транзистора усилителя мощности с нагрузкой синтезируются как схема, обеспечивающая бесконечное полное сопротивление на основной частоте и ее третьей гармонике, а также низкоий импеданс на второй гармонике. Аналогичный подход был также описан и с новыми вариантами реализации схемы сопряжения усилителей мощности класса F с нагрузкой, в которых используются одновременно как элементы с сосредоточенными параметрами (дискретные катушки индуктивности и конденсаторы), так и элементы с распределенными параметрами (микрополосковые линии или отрезки коаксиальных кабелей) [8]. В этой публикации в явной форме были получены выражения для оценки влияния каждого элемента схемы в цепи формирования сопряжения с нагрузкой. Однако, для того чтобы иметь надлежащий импеданс нагрузки транзистора на основной частоте, в этих схемах должно быть добавлено еще и отдельное согласующее звено. Кроме того, рассмотренные выше варианты реализации усилителей ориентированы в основном на узкополосные усилители мощности класса F.

Имеется еще один вариант возможной реализации рассматриваемого режима работы. Решение заключается в использовании встроенных фильтров нижних частот [9]. В этом методе индуктивность и выходная емкость высокочастотного транзистора являются частью схемы сопряжения с нагрузкой. Недостаток этого подхода заключается в том, что здесь трудно определить аналитически номиналы элементов согласующего звена, и следовательно, такое решение требует компьютерной оптимизации. Для одновременного согласования и гармонической настройки, необходимой для согласования с нагрузкой, используются полосовые фильтры Чебышева [10]. К сожалению, последний метод достаточно сложен и требует крайне трудоемких вычислений.

 

Предлагаемая топология нагрузочного согласующего звена

Согласующее звено нагрузки для традиционного усилителя мощности класса F должно представлять собой разомкнутую цепь для нечетных гармоник основной частоты и короткое замыкание для четных гармоник. При всем этом необходимо еще и обеспечивать требуемое согласование импеданса при подключении нагрузки на основной частоте, то есть ее первой гармонике. На рис. 3 показана обобщенная блок-схема решения, которое предлагается для использования в качестве нагрузки усилителя мощности класса F.

Рис. 3. Общая топология решения для подключения нагрузки

Входной импеданс нагрузочной сети

Zload должен удовлетворять условиям Zd, указанным в уравнении (10). Контур гармонического управления, иногда называемый схемой компенсации пиков импеданса, предназначен для подавления частоты второй гармоники и для максимизации уровня нечетных гармоник выходного напряжения. Согласующая схема предназначена также для преобразования сопротивления нагрузки, которое обычно равно 50 Ом, в требуемое для работы транзистора в оптимальном режиме сопротивление. Это обеспечивает реализацию класса F на основной частоте и гарантирует высокий импеданс для всех других гармонических составляющих основной частоты. Такой высокий импеданс согласующей цепи необходим для того, чтобы избежать паразитной нагрузки на схему управления на гармонических частотах, которая в противном случае может вызывать смещение частотной характеристики этой цепи. Полоса пропускания схемы согласования зависит от ее добротности, которая может выступать в качестве одного из важных параметров в процессе синтеза согласующего звена.

В обычных усилителях класса F для управления гармониками на стоке транзистора усилителя мощности используется короткозамкнутый четвертьволновый шлейф. В данной работе приводится новое решение в части получения пиков импеданса. Оно представлено на рис. 4 и состоит из двух параллельных λ/8 шлейфов, разомкнутого и короткозамкнутого, имеющих одинаковое характеристическое сопротивление

Zo.

Рис. 4. Предлагаемое решение цепи для получения пиков импеданса

Входной импеданс закороченной линии передачи может быть выражен как [11]:

. (11)

Входной импеданс открытого шлейфа представляется как:

 , (12)

где θ — электрическая длина обеих линий передачи.

Входной импеданс такого звена Zpeak представляет собой параллельное включение импедансов Z1 и Z2:

 . (13)

После небольшого математического преобразования уравнения (13) получаем:

. (14)

Учитывая, что:

 , (15)

уравнение (14) можно упростить:

 . (16)

Импеданс Zpeak может быть выражен как функция от частоты. Это выполняется подстановкой значения θ = βℓ, где β — это фазовая постоянная, которая задается как 2π/λ, а ℓ = λo/8. Здесь λo представляет собой длину волны первой гармоники основной частоты. Основываясь на этих соображениях, формулы для импеданса Zpeak можно записать так:

 , (17)

где fo — основная рабочая частота радиосигнала.

Уравнение (17) показывает, что эквивалентный импеданс звена управления гармониками аналогичен эквиваленту обычного четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, но с коэффициентом 0,5.

На рис. 5 дано сравнение частотных характеристик в части входного импеданса схемы подавления гармонических составляющих по отношению к поведению импеданса короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа. Данные приведены для частот от 0 до 2,6 ГГц при основной частоте fo = 500 МГц. Как ясно видно из приведенного рисунка, отклик импеданса предлагаемой схемы на нечетных гармониках основной частоты является более резко выраженным. Это даст дополнительное уменьшение сигналов на частотах, расположенных рядом с первой гармоникой рабочей частоты.

Рис. 5. Сравнение частотных характеристик входного импеданса схемы подавления гармонических составляющих и короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа

Согласующая цепь с высоким импедансом по отношению к гармоническим составляющим, представленная на рис. 3, может быть легко синтезирована для преобразования импеданса нагрузки усилителя 50 Ом на основной рабочей частоте в оптимальное сопротивление нагрузки линии Ropt. Она, как это отмечалось выше, должна иметь высокий импеданс на гармонических составляющих основной частоты. Это необходимо для того, чтобы не нагружать гармонический контур на этих частотах. Добротность этой схемы согласования также может управлять полосой пропускания схемы всего усилителя. Основываясь на этих соображениях, для выполнения желаемых требований здесь может быть использовано обычное для этой области техники Т‑образное согласующее звено, показанное на рис. 6, выполняющее роль трансформатора сопротивлений. Высокий реактивный импеданс на гармонических частотах обеспечивают две катушки индуктивности L1 и L2.

Рис. 6. Т-образное согласующее звено

Значения элементов схемы согласования после выбора требуемой добротности могут быть определены следующим образом [12]:

 , (18)

 , (19)

 , (20)

 , (21)

где f0 — основная рабочая частота; A — вычисленная постоянная; RL — сопротивление нагрузки 50 Ом.

В качестве альтернативного подхода значения элементов схемы согласования могут быть определены графически по круговой диаграмме импедансов (диаграмма Смита или круговая диаграмма полных сопротивлений) с помощью постоянной Q‑окружности. Полная топология согласующего звена нагрузки представлена на рис. 7.

Рис. 7. Предлагаемая конфигурация согласующего звена усилителя класса F

Схема согласования на основе T‑образного LC-звена может нагружать гармонический пиковый контур на нечетных гармониках, что, в свою очередь, может привести к незначительному сдвигу в точках максимума импеданса вокруг этих частот. Этот сдвиг частоты в основном зависит от добротности Q согласующей цепи. Чем выше Q, тем меньше смещение максимумов подавления гармонических частот.

 

Проектирование схемы высокочастотного усилителя  (UHF) мощностью 10 Вт

Для того чтобы подтвердить обоснованность и реализуемость предлагаемого согласования нагрузки, автором статьи была разработана схема усилителя мощности класса F с основной рабочей частотой 500 МГц. В этой конструкции был использован современный мощный высокочастотный транзистор CGh50010 [15] класса HEMT, выполненный на базе нитрида галлия (GaN). Транзистор при напряжении питания 28 В постоянного тока может обеспечить мощность более 10 Вт на частотах до 4 ГГц. Этот транзистор также обеспечивает высокое усиление мощности в широкой полосе частот. Высокое рабочее напряжение полупроводниковой технологии GaN HEMT обусловлено ее относительно высокой энергией запрещенной зоны и соответствующей этому возможностью выдерживать высокую напряженность электрического поля до пробоя. Кроме того, высокая плотность мощности, предлагаемая GaN-технологией, позволяет создавать миллиметровые по размерам кристалла устройства с выходной мощностью в несколько ватт [13].

Полученная в результате моделирования передаточная характеристика высокочастотного GaN HEMT транзистора CGh50010 представлена на рис. 8. Для этого использовалась SPICE-модель транзистора CGh50010 для режима большого сигнала. Приведенная характеристика показывает, что значение порогового напряжения затвор-исток для данного транзистора равно примерно –2,5 В. Это значение VGS принимается за рабочую точку режима работы класса F.

Рис. 8. Зависимость тока стока от напряжения затвора для GaN HEMT транзистора CGh50010

На рис. 9 представлена выходная ВАХ транзистора CGh50010. Как следует из рис. 9, напряжение насыщения сток-исток (или точка излома его выходной ВАХ) является относительно высоким и составляет порядка 4 В. Максимально допустимый ток стока для этого транзистора, указанный изготовителем в технической спецификации [15], составляет 1,5 А. Следовательно, оптимальное сопротивление нагрузки стока на основной рабочей частоте Ropt, полученное из уравнения (9), для данного типа транзистора равно 40 Ом.

Рис. 9. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток для GaN HEMT транзистора CGh50010

Для проектирования схемы сопряжения с нагрузкой сначала необходимо определить добротность согласующей цепи. Фактически она зависит от требуемой полосы пропускания схемы усилителя мощности и может быть определена как:

. (22)

Поскольку основная рабочая частота схемы f0 составляет 500 МГц, то для желаемой полосы пропускания BW в 100 МГц добротность Q получается равной 5. Исходя из практических соображений, для того чтобы учесть влияние остальных элементов схемы, что может уменьшить общую полосу пропускания, добротность необходимо выбирать меньше ее расчетного значения. Элементы схемы согласования для преобразования импеданса нагрузки 50 Ом в значение Ropt, которое на основной частоте и для данной добротности, как это было определено выше, равно 40 Ом, рассчитываются по уравнениям (18–21). Для Q = 2 значения элементов схемы согласования равны: L1 = 25 нГн, L2 = 27 нГн и C = 6 пФ.

На рис. 10 приведен график зависимости импеданса согласующего звена нагрузки для двух значений добротности Q. Несмотря на то, что обе схемы имеют одинаковый импеданс (40 Ом) на основной частоте, здесь имеется небольшой сдвиг в отклике на частоте третьей гармоники (1,5 ГГц). При Q = 5 схема согласования с нагрузкой имеет импеданс на третьей гармонике 556 Ом, но при Q = 2 она уменьшается до 216 Ом. Однако при такой добротности обеспечивается и более широкая полоса пропускания. Так что здесь требуется некий компромисс.

Рис. 10. Зависимость импеданса согласующего звена нагрузки для двух значений добротности

Блок-схема усилителя мощности класса F показана на рис. 11. Входная согласующая цепь спроектирована так, чтобы обеспечить высокий входной импеданс для сигнала на затворе HEMT от источника с импедансом 50 Ом. Для обеспечения стабильности входная схема представляет собой резистивную (с потерями) схему, используемую для предотвращения возникновения паразитных колебаний и увеличения, таким образом, устойчивости усилителя в целом [14].

Рис. 11. Блок-схема высокочастотного усилителя мощности

Для проектирования согласующей входной цепи входное сопротивление мощного HEMT должно быть оценено по требуемой ширине полосы с учетом схемы согласования с нагрузкой и элементами обеспечения стабильности. На рис. 12 представлена электрическая принципиальная схема усилителя мощности без входной согласующей цепи. Выход усилителя нагружен на две микрополосковые линии, которые выполнены непосредственно на подложке стеклотекстолита марки FR‑4 с диэлектрической постоянной 4,5 и толщиной 1,6 мм. Напряжение питания стока подается на HEMT через короткозамкнутый шлейф цепи нагрузки, который, в свою очередь, подключается к ВЧ-заземлению через блокировочный конденсатор емкостью 470 пФ.

Рис. 12. Электрическая принципиальная схема усилителя мощности без входной согласующей цепи

Резистор R1 и катушка индуктивности L3 представляют собой стабилизирующую сеть, обеспечивающую нормальное функционирование усилителя во всем желаемом диапазоне частот. Значения R1 и L3 были оптимизированы с использованием возможностей моделирования симулятора ADS. Для оценки входного импеданса по затвору транзистора в полосе частот от 440 до 540 МГц при входной мощности 1 Вт схема была проанализирована с использованием алгоритма гармонического баланса.

Входной импеданс затвора HEMT в полосе частот представлен на рис. 13. Этот график показывает, что на частоте, близкой к 500 МГц, сопротивление затвора носит емкостной характер со значением Zg = 11–j46 Ом.

Рис. 13. Зависимость входного импеданса от частоты, полученная в результате моделирования

Для минимизации КСВН всей схемы усилителя мощности применена схема согласования из последовательно включенной катушки индуктивностью 23 нГн и конденсатора емкостью 8,2 пФ. Полная электрическая принципиальная схема усилителя мощности представлена на рис. 14.

 

Результаты моделирования 

Представленная на рис. 14 схема усилителя мощности была промоделирована с помощью симулятора гармонического баланса из пакета программного обеспечения ADS.

Рис. 14. Электрическая принципиальная схема усилителя мощности

На рис. 15 представлена форма напряжения на стоке HEMT, а на рис. 16 показана форма его тока на частоте 500 МГц при уровне входной мощности 1 Вт.

Рис. 15. Форма напряжения на стоке транзистора на частоте 500 МГц, полученная в результате компьютерного моделирования

Эти формы в дополнение к нелинейной выходной емкости и индуктивности выводов силового ВЧ-транзистора формируются еще и за счет отражения сигнала от схемы согласования с нагрузкой. Ток стока представляет собой аппроксимацию полуволновых синусоидальных импульсов и находится в противофазе с напряжением на стоке, что уменьшает мощность рассеивания на стоке HEMT и тем самым увеличивает КПД усилителя мощности.

Рис. 16. Форма тока стока транзистора на частоте 500 МГц, полученная в результате компьютерного моделирования

На рис. 17 приведена форма выходного напряжения схемы усилителя мощности. Чисто синусоидальный характер этого сигнала обусловлен эффективной фильтрацией в выходном каскаде согласования.

Рис. 17. Выходной сигнал усилителя мощности на частоте 500 МГц, полученный в результате компьютерного моделирования

На рис. 18 показан график выходной мощности относительно уровня входной мощности в значениях дБм при частоте моделирования 500 МГц.

Рис. 18. Зависимость выходной мощности от входной мощности

Усилитель обеспечивает выходную мощность более 40 дБм (10 Вт) при уровне входной мощности 30 дБм (1 Вт). ВЧ-транзистор находится в глубоком насыщении на этом уровне мощности. Коэффициент усиления по мощности усилителя представлен на рис. 19 и составляет около 11 дБ при уровне входной мощности 30 дБм. Точка компрессии 1 дБ достигается при входной мощности 15 дБм, при этом, как мы видим, коэффициент усиления по мощности быстро падает.

Рис. 19. Зависимость усиления по мощности от входной мощности усилителя

КПД по стоку усилителя (Drain Efficiency) в зависимости от мощности приведен на рис. 20 вместе с коэффициентом PAE* (КПД с добавленной мощностью). При уровне входной мощности 1 Вт усилитель имеет КПД по стоку 84,8% и КПД с добавленной мощностью 78,2%.

Рис. 20. Зависимость эффективности от входной мощности

Эффективность по стоку рассчитывается по формуле:

, (23)

где: Pout — выходная мощность по ВЧ; Pdc — мощность, потребляемая от источника питания постоянного тока, определяемая как:

 . (24)

Здесь Vdd представляет напряжение питания стока, а Idc — постоянная составляющая тока стока (ток потребления).

Коэффициент PAE рассчитывается как:

 . (25)

После завершения первого этапа компьютерного моделирования, выполненного на основной рабочей частоте, было проведено компьютерное моделирование в полосе рабочих частот 440–540 МГц при входной мощности, поддерживаемой постоянной на уровне 1 Вт.

Рис. 21. Зависимость усиления по мощности от частоты

На рис. 21 представлена зависимость усиления по мощности от частоты. Коэффициент усиления мощности составляет около (10±1) дБ во всей полосе.

Рис. 22. Зависимость выходной мощности усилителя от частоты

На рис. 22 показана зависимость выходной мощности от рабочей частоты, а рис. 23 отображает КПД стока и PAE схемы.

Рис. 23. Зависимость КПД усилителя от частоты

В рабочей полосе частот усилитель имеет КПД более 80%, а КПД усилителя с добавленной мощностью PAE составляет более 75%. Возвратные потери, приведенные на рис. 24, показывают достаточно приемлемое согласование в области рабочих частот.

Рис. 24. Зависимость обратных потерь от частоты

Выводы

В данной статье предложена и детально проанализирована топология сопряжения нагрузки для выходных каскадов высокочастотных усилителей мощности класса F. Основными особенностями схемы согласования являются простота ее конструкции, управляемая пропускная способность и предсказуемое поведение. Предложенное решение было проверено в ходе проектирования усилителя мощности класса F с выходной мощностью 10 Вт, работающего в полосе частот 440–540 МГц, который был выполнен с использованием современного высокочастотного мощного HEMT. Результаты моделирования показывают, что КПД по стоку такого усилителя на частоте 500 МГц составил более 84% при коэффициенте усиления 11 дБ на номинальном уровне выходной мощности. Хотя схема сочетает в себе элементы как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, ее можно модифицировать заменой Т‑образной схемы согласования импедансов на эквивалентную схему на отрезках линий передачи. Это может увеличить рабочую частоту схемы до диапазона гигагерц. При тщательной разработке с использованием предлагаемой топологии согласования может быть получена достаточно плоская АЧХ усилителя мощности в приемлемом диапазоне частот.

Литература

1. L. Krauss, C.W. Bostian, and F. H. Raab. Solid State Radio Engineering. New York: Wiley, 1980.
2. H. Raab. An Introduction to Class-F Power Amplifiers. RF Design, Vol. 19. 1996, № 5.
3. K. Kazimierczuk. RF Power Amplifiers. John Wiley & Sons, 2008.
4.  Grebennikov, N. Sokal, and M. Franco. Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. 2nd edition, Elsevier, 2012.
5.  Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communications. 2nd edition, Artech House, 2006.
6. H. Raab. FET Power Amplifier Boosts Transmitter Efficiency. Electronics, Vol. 49. 1976, № 6.
7.  Trask. Class-F amplifier loading networks: a unified design approach. Proceedings of the 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Anaheim, CA. 1999, June.
8.  Grebennikov. Load network design for high-efficiency class-F power amplifiers. Proceedings of the 2000 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Vol. 2, Boston, MA, 2000, June.
9. A. Beltran. Class-F and inverse class-F power amplifier loading networks design based upon transmission zeros. 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Tampa, FL. 2014, June.
10. Wu and X. Liu. A 3.4–3.6‑GHz high efficiency Gallium Nitride power amplifier using bandpass output matching network. Proceedings of the 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Phoenix, AZ. 2015, May.
11.  Ludwig and G. Bogdanov. RF Circuit Design: Theory and Applications. 2nd Edition, Upper Saddle River, NJ: Pearson Educations, 2009.
12.  Becciolini. Impedance Matching Networks Applied to RF Power Transistors. Application Note AN721, Freescale Semiconductor, 2005.
13.  Rezaei, L. Belostotski, and F.M. Ghannouchi. 1.6 GHz — 3 GHz, 10W, 60% Efficiency Class-J PA for Cognitive Radio Applications. Proceedings of the 2013 56th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. 2013, August.
14.  Grebennikov. Load Network Design Technique for Class F and Inverse Class F Pas. High Frequency Electronics, Vol. 10, № 5. 2011, May.
15. CGh50010 10 W, DC — 6 GHz, RF Power GaN HEMT, Rev.4.0 — May 2015, Cree Inc. http://www.wolfspeed.com/ downloads/ dl/file/id/317 /product/ 117/cgh50010.pdf /ссыка утеряна/

Усилители мощности класса T — audioGO

Ранее вы уже читали обзор интересного и достаточно качественного цифрового мини усилителя на чипе TA2020 .

НОВАЯ БУКВА В АЛФАВИТЕ

Борьба за экономичность усилителей и качество звучания до недавнего времени шла по двум направлениям. Аналоговые усилители обеспечивали улучшение качества звучания одновременно со снижением экономичности, цифровые – высокий КПД при невысоком качестве сигнала. Одновременно решить эти проблемы можно при совместном использовании цифровых и аналоговых методов обработки сигнала, и многолетние разработки увенчались успехом. Судя по материалам компании Tripath Technology, в созданных ей усилителях класса T высокая экономичность сочетается с аудиофильским качеством звучания.

Журнал уже писал об основных классах усилителей звуковых частот. Экономичным усилителям класса B свойственны значительные искажения сигнала малого уровня (“первый ватт”), аудиофильские усилители класса A невероятно прожорливы. Компромиссные решения класса AB не решают полностью ни одну из проблем.

Класс усилителя	Теоретический КПД	Реальный КПД	Минимум искажений наступает:
A	50%	15…30%	при малой мощности
AB	зависит от режима	40…50%	при средней мощности
B	78%	50…60%	при средней мощности

В лучшем случае только половина мощности, потребляемой усилителем, поступает в нагрузку. Остальная нагревает транзисторы выходного каскада. Для повышения экономичности аналоговых усилителей было предложено немало технических решений, которые можно свести в три группы:

• параллельная работа на общую нагрузку маломощного каскада класса A и мощного класса B (класс Super A)
• работа на общую нагрузку каскадов с различным напряжением питания (класс G)
• управление напряжением питания выходного каскада (класс H).

Однако сложность конструкции не оправдывала экономии и усилители этих типов не получили распространения даже в домашней технике. В автомобильной же положение еще усугубляется:

• низкое напряжение питания увеличивает потери в выходном каскаде встроенных усилителей головных аппаратов
• блоки питания внешних усилителей влияют практически на все его характеристики, особенно при невысокой частоте преобразования (характерно для бюджетных моделей).

Усилители класса D – достижение конструкторской мысли “цифровой” эпохи. Их главная особенность – использование вместо усиления широтно-импульсной модуляции (ШИМ, она же PWM – pulse width modulation). В отличие от аналоговых усилителей, где выходной сигнал представляет собой “увеличенную” копию входного, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность (“ширина”) изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.

Основное достоинство усилителей этого класса – высокий кпд (в лучших образцах – до 95%). Это объясняется тем, что амплитуда импульсов практически равна напряжению питания и потери мощности на выходных транзисторах минимальны. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность – с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляются основной недостаток метода – зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при передаче сигналов малого уровня. Создание высококачественного широкополосного усилителя класса D требует значительного усложнения конструкции. Поэтому в автомобильных аудиосистемах такие усилители пока применяют только в сабвуферах – в этом случае вполне допустим уровень нелинейных искажений до нескольких процентов.

В усилителях класса T качество звучания повышено на порядок при сохранении высокой экономичности. Это особенно актуально при создании усилителей мощности головных аппаратов. Tripath Technology выпускает интегральные усилители мощностью 10 и 20 Вт для портативной аудиотехники и головных аппаратов, а также микросхемы для создания усилителей более высокой мощности – до 300 Вт.

На графиках видно, что усилители класса T по своим показателям не уступают лучшим образцам аналоговых усилителей. Уровень искажений минимален, а в спектре выходного сигнала практически отсутствуют высшие гармоники. В результате воспроизведение музыкального сигнала становится более естественным.

Главная отличие новых усилителей и от аналоговых, и от традиционных цифровых – низкий уровень интермодуляционных искажений, меньший, чем коэффициент гармоник. Для усилителей класса AB, например, коэффициент интермодуляционных искажений значительно (иногда в несколько десятков раз) превосходит коэффициент гармоник; для усилителей класса A эти величины одного порядка. Интегральные усилители по этому показателю несколько уступают своим “большим” собратьям класса T, но традиционные микросхемы вообще не выдерживают конкуренции. Поэтому не вызывает удивления тот факт, что на последней выставке в Лас-Вегасе было представлено большое количество магнитол и усилителей нового типа.

В чем же секрет метода? В использовании патентованной технологии Digital Power Processing (TM). В материалах фирмы этой технологии посвящено немало текста, но полезной информации там, по понятным причинам, совсем немного. В тайне содержатся не только детали, но и сам принцип обработки сигнала. Если отбросить риторику, то все сводится к двум взаимосвязанным процессам – “предсказанию”(Predictive processing) и “адаптивному преобразованию” (Adaptive Signal Conditioning Processing)

Попробуем разобраться, “как они тут крепют”.

Предсказаниями с незапамятных времен занимаются жрецы и гадалки, причем с переменным успехом. В нашем случае узнать уровень звукового сигнала можно двумя способами:

• Вычисление. Отслеживается скорость изменения сигнала (производная) и на основании этого рассчитывается значение сигнала в следующий момент времени. Реализовать можно как в аналоговом варианте, так и в цифровом. В звуковом процессоре можно использовать математические модели, построенные на статистических данных.
• Измерение. Сигнал поступает на обработку через цифровую линию задержки, что позволяет заранее измерить его амплитуду. Требуется высокоточный АЦП.

Судя по тому, что динамический диапазон даже интегральных усилителей превышает 100 дБ, амплитуда сигнала именно вычисляется. Для чего же нужно ее знать? В усилителях класса T нет фиксированной частоты дискретизации – она непрерывно изменяется в полосе до 1,5 мГц в соответствии с алгоритмом “адаптивного преобразования”. Исходными данными служит как раз амплитуда сигнала и скорость ее изменения. Повышение частоты дискретизации повышает качество звучания и позволяет упростить конструкцию выходного фильтра..

О сущности алгоритма обработки остается только гадать. Кроме перечисленного, адаптивное преобразование может включать в себя и внутреннюю отрицательную обратную связь – цифровую или аналоговую. Исходя из этого можно предположить, что в основу Digital Power Processing (TM) положена одна из разновидностей дельта – модуляции. От традиционной широтно-импульсной она отличается тем, что передается не абсолютная величина сигнала, а ее изменение относительно предыдущего состояния (отсюда и “дельта” в названии). Отрицательная обратная связь входит в него генетически, да и “предсказание” тоже имеет место быть…

Выпуском микросхем занимается непосредственно Tripath Technology. Производится значительное количество разнообразных компонентов, включая готовые усилительные модули. Все функции обработки сигнала сосредоточены в одной микросхеме с минимумом внешних компонентов. Усилители малой и средней мощности изготавливаются в интегральном исполнении. В усилителях большой мощности выходной каскад выполняется на дискретных компонентах. Выходной LC-фильтр во всех случаях монтируется отдельно.

И в качестве иллюстрации к сказанному – немного цифр:

Интегральные усилители	TA2020-020	TA2022
Максимальная мощность на нагрузке 4 Ом при заданном Кг, %	23 Вт (10%)	100 Вт (1%)
Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=0,1%	12 Вт	90 Вт
Коэффициент гармоник	0,03% (10 Вт)	0,015% (70 Вт)
Интермодуляционные искажения	0,18% (1 Вт)	0,1% (25 Вт)
К.П.Д.	81…88%	87…92%
Напряжение питания	+12…14,4 В	+/-31 В

Драйверы (+ внешние транзисторы)	TA0102A	TA0103A	TA0104A
Максимальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=1%	170 Вт	300 Вт	750 Вт
Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом при Кг=0,1%	150 Вт	250 Вт	500 Вт
Интермодуляционные искажения	0,03%	0,03%	0,02%
К.П.Д.	88-90%	90…92%	85-90%
Напряжение питания	+/-45 В	+/-54 В	+/-75 В

Автор: А.И.Шихатов 2002

Источник: “Мастер 12вольт” №33 (май-июнь 2001)

Усилители класса А для наушников

Каждый начинающий аудиофил мечтает обзавестись своим первым усилителем, работающим в классе А, который становится эталоном для последующего сравнения с другими устройствами. Класс А обладает максимальной линейностью, самым приятным и качественным звучанием, а коэффициент нелинейных искажений (КНИ) в режиме малой выходной мощности приближается к нулю! Впечатляет?

Но, как всегда, есть обратная сторона всех этих прелестей – очень низкая эффективность: КПД схемы обычно не превышает 15 — 30%. То есть, чтобы получить выходную мощность 1 Вт необходимо затратить мощности в 3 – 6 раз больше! Поэтому подобные усилители обычно применяются либо в качестве усилителей для наушников, где низким КПД можно пренебречь, либо в качестве выходных усилителей мощности в дорогих HI-END устройствах.

Усилитель класса А начального уровня

Схема простейшего стерео усилителя для наушников, работающего в классе А, показана ниже. Несмотря на схемотехническую простоту, усилитель обладает отличным звучанием с мощным и мягким басом (применялись японские аудио транзисторы 2SD1308 фирмы NEC) и динамичным звуком.

Коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы, поэтому схема устойчива к самовозбуждению. Ток покоя выходного каскада равен 160 — 170 мА. Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R1 и R2 до момента, когда на эмиттерах транзисторов не будет половина напряжения питания 2,5 В. После грубой подборки резисторов, необходимо дать усилителю нагреться в течении 3 – 5 минут, затем повторить процесс для уточнения значений резисторов. Дело в том, что после нагрева транзисторов коллекторный ток будет изменяться, поэтому нужно дать усилителю прогреться и выйти на рабочий режим.
Транзисторы не нуждаются в теплоотводах, но при желании можно сделать небольшой общий радиатор, позволяющий снизить их нагрев и упростить процесс настройки.
В схеме применены биполярные составные (схема Дарлингтона) NPN аудио транзисторы 2SD1308. Заменить их можно на аналогичные NPN с высоким коэффициентом усиления.
Конденсаторы C1, C2, C4, C5, C8, C10 любые пленочные, например CL11, CL20, CL21, К73-17, К73-9 и прочие. Конденсаторы C3, C6, C7, C9, C11 электролитические на рабочее напряжение не ниже 10 В.
Внимание, усилитель особо чувствителен к качеству источника питания: при плохо отфильтрованном напряжении возможны появления шумов.
Недостатком данной схемы является малое входное сопротивление (порядка 1 … 2 кОм), поэтому без входного электролитического конденсатора большой емкости тут не обойтись. Чтобы немного уменьшить его влияние на звук, параллельно подключен пленочный конденсатор.

Основные технические характеристики
Номинальное напряжение питания	5 В
Суммарный потребляемый ток	320 — 350 мА
Частотный диапазон	10 Гц — 50000 Гц
Коэффициент нелинейных искажений	0.08%
Максимальная выходная мощность (RLOAD = 32 Ом)	170 мВт
Входное сопротивление	1.5 кОм
Коэффициент усиления по напряжению	0,9 … 0,95

Двухкаскадный однотактный усилитель класса А

Схема работает в линейном режиме с током покоя около 120 — 130 мА. Ввиду высокого напряжения питания усилитель рассчитан на использование высокоомных наушников 250 Ом. Будьте внимательны при подключении стандартных наушников 32 Ом: усилитель может развить выходную мощность до 1 Вт! Поэтому, чтобы обезопасить свой слух и не вывести из строя наушники, необходимо в каждый из каналов подключить последовательно с нагрузкой резистор, сопротивлением не менее 47 Ом и мощностью 0.5 Вт.

Основные технические характеристики
Номинальное напряжение питания	12 В
Суммарный потребляемый ток	250 — 260 мА
Максимальная выходная мощность (RLOAD = 250R)	125 мВт
Коэффициент нелинейных искажений	0.01 %
Частотный диапазон	15 Гц — 75000 Гц

Весь усилитель охвачен цепью ООС (элементы C5, R5, R6). Коэффициент усиления определяется соотношением R5/R6 + 1 и равно двум. Выходной транзистор следует установить на небольшой радиатор. Для получения качественного звука конденсатор С2 должен быть пленочным. Выходные конденсаторы C6, C7 любые электролитические, в том числе серии Low ESR. Лучшие результаты получаются при параллельном соединении нескольких конденсаторов.

На схеме показан один канал. При настройке усилителя вращением движка подстрочного резистора R1 нужно добиться на коллекторе VT2 половины напряжения питания 6 В. После прогрева, следует еще раз повторить регулировку.
Транзистор VT1 можно заменить любым маломощным с PNP структурой, в том числе и на советский КТ3107. Мощный выходной VT2 также можно заменить на аналогичный NPN в корпусе TO-220 или TO-126 (обратите внимание: у них разная распиновка).
Ток, потребляемый схемой определяется сопротивлением резистора R7: чем меньше его значение, тем больший ток течет через выходной каскад. Указанный на схеме номинал 47 Ом при 12 В питании обеспечит ток около 120 — 130 мА, чего с запасом хватит для получения отличного демпфирования нагрузки.

Печатная плата спроектирована сразу для двух каналов (стерео). Резистор развязывающей цепи R8 состоит из двух 0.25-ваттных резисторов по 10 Ом. В каждом канале своя развязывающая цепь, что позволяет немного улучшить разделение стерео (по принципу двойного моно).

Выходные транзисторы устанавливаются на общую алюминиевую пластинку, толщиной 1.5 – 2.0 мм через изоляционные прокладки. Разъем для наушников ST-215N. Подстроечный резистор R1 типа 3396W, клеммные колодки типа DG127, DG128 или XY304.
В качестве 2-ваттного R7 можно использовать 2 резистора 100 Ом по 1W каждый, для чего на печатной плате предусмотрено дополнительное установочное место.

Литература

• Атаев Д. И., Болотников В. А. «Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения». Радио и связь 1989 г.

Прикрепленные файлы

Добавить комментарий

Усилители серии TD

Название	Новая ячейка	Новая ячейка	Новая ячейка	Новая ячейка	Новая ячейка
Модель	TD-2|1450	TD-2|1600	TD-2|2350	TD-4|625	TD-4|1350
Выходная мощность на канал на нагрузке 8 Ом (RMS)	2×1450Вт	2 x1600Вт	2x 2350Вт	4 x625 Вт	4×1350Вт
Выходная мощность на канал на нагрузке 4 Ом (RMS)	2×2800Вт	2 x3000Вт	2×4400Вт	4×1250Вт	4 x2200Вт
Выходная мощность на канал на нагрузке 2 Ом (RMS)	2×3500Вт	2 x4500Вт	2×7000Вт	4×1500Вт	4×2500Вт
Выходная мощность в мостовом режиме на нагрузке 8 Ом (RMS)	1×5600Вт	1×6000Вт	1×8800Вт	2×2500Вт	2×4400Вт
Выходная мощность в мостовом режиме на нагрузке 4 Ом (RMS)	1×7000Вт	1×9000Вт	1×14000Вт	2×3000Вт	2×5000Вт
Частотный диапазон (+/- 0,3 дБ,1Вт, 8 Ом)	20-34000Гц	20-34000Гц	20-34000Гц	20-34000Гц	20-34000Гц
Искажения  (THD+N) 20-20Кгц, 1 Вт	0,1%	0,1%	0,1%	0,1%	0,1%
Отношение сигнал/шум	>112дБА	>112дБА	>112дБА	>112дБА	>112дБА
Разделение каналов	>70 дБ	>70 дБ	>70 дБ	>70 дБ	>70 дБ
Входное сопротивление	20 кОм	20 кОм	20 кОм	20 кОм	20 кОм
Выходные разъёмы	2*Speakon 4*Binding posts	2*Speakon 4*Binding posts	2*Speakon 4*Binding posts	4*Speakon (Neutrik)	4*Speakon (Neutrik)
Размеры Ш*Г*В, мм	483*396*88 (2U)	483*396*88 (2U)	483*396*88 (2U)	483*396*88 (2U)	483*396*88 (2U)
Вес	13 кг	13 кг	13 кг	13 кг	13 кг
Напряжение питания	130-265 В	130-265 В	130-265 В	130-265 В	130-265 В

Усилители – Классы аудио усилителей

Классы аудио усилителей

 

Если вы решили покупать усилитель для своей аудио системы, необходимо понимать разницу между различными видами усилителей.

 

В наше время господства наушников и телефонного стерео, немногие, помимо аудиофилов, задумываются об усилителях. Но стоит убрать наушники из ушей и наполнить звуком комнату, усилитель станет необходимой частью музыки.

 

 

Аудио усилители отличаются друг от друга также как телевизоры. Например, светодиодный, жидкокристаллический и oled телевизор воспроизводят одно и то же изображение, но с разной степенью точности. Каждая технология имеет собственный характерный способ работы.

 

Один телевизор имеет больше общего света, доступного для работы. Другой может иметь больший размер экрана за те же деньги. Третий будет потреблять меньше энергии. Четвертый будет более устойчивым к изменениям в колебаниях напряжения переменного тока вашего дома. И так далее.

 

То же относится и к аудио усилителям. Усилители для домашних динамиков используют несколько различных технологий для выполнения своей работы, и, как с ТВ-технологиями, они все имеют свои плюсы и минусы.

 

 

Усилитель класса A

 
Эта технология усиления была одной из самых ранних, и практически закончила существование еще в 1970-х годах, когда транзисторы начали заменять лампы. Аудио «пуритане» остались с усилителями класса A, и сейчас можно найти ламповые усилители от таких компаний, как Conrad Johnson, VTL и Audio Research, а также твердотельные усилители класса high-end от таких компаний, как Pass Labs, Krell и Bedini.

 

Технология может быть лучше всего описана, говоря, что она анализирует и усиливает полные циклы в 360 градусов (с положительного на отрицательный) входящих аудио волн в абсолютном режиме реального времени. Чтобы иметь возможность делать это, усилитель работает на полную мощность все время. Независимо от того, слушаете вы музыку тихо или громко, усилитель использует доступную энергию 100% времени. 

 

 

Плюсы:

• Теоретически, возможность получения наиболее линейного (точного) звука.
• При перегрузках на музыкальных пиках даже искажения остаются благозвучными.
• Звуковая подпись без ошибок, часто называемое аналоговое звучание.
• Удовлетворение от того, что владеете действительно изысканным аудио оборудованием.

 

Минусы:

• Трудности с заменой ламп, ламповые усилители потребляют очень много электроэнергии.
• Обычно низкая мощность, не практично для больших помещений и громкого звука.
• Твердотельные усилители, как правило, большие и тяжелые; лампы часто хрупкие.
• Как правило, дорогостоящие, хотя можно найти на удивление доступные небольшие ламповые усилители.

 

 

Усилитель класса B

 
Когда аудио инженеры и дизайнеры задумались о более эффективных способах создания звука, они разработали усилители класса B. Вместо того, чтобы постоянно работать с полным циклом аудио волны в 360 градусов (пики и падения), работа разделяется на 2 части: одна для положительной, а другая для отрицательной половины цикла сигнала. При такой конструкции инженеры выигрывали, но ценители аудио теряли. В усилителях класса B явно слышно искажение при переходе с положительного на отрицательный сигнал, и от такой конструкции быстро отказались. Однако, часть конструкции позаимствовали для создания наиболее популярной на сегодняшний день конструкции усилителей AB.

 

 

Усилитель класса АВ

 
В поисках баланса между великолепным звуком и доступностью инженеры разработали аудио усилитель класса AB. Это по большей части усилитель класса B, который имеет небольшое количество тока покоя, который все время течет через выходные транзисторы. Этот метод теоретически исключает искажение переключения усилителя класса B, потому что теперь всегда есть немного тока, сглаживающего переходы между положительным и отрицательным сигналом.

 

Усилители класса AB многие годы имели стандартный дизайн, и можно было выбрать подходящий, начиная от бюджетных вариантов от Onkyo, Sony и Harman Kardon, продолжая аудио-видео ресиверами от Denon, Yamaha и Pioneer, и заканчивая отдельно стоящими экземплярами от NAD, Bryston, Anthem, Mark Levinson и другими.

 

 

Плюсы:

• Качество звука может быть превосходным; многие из лучших усилителей имеют класс усиления AB.
• Эффективность; может быть использован очень широкий диапазон динамиков.
• Экономичность; позволяет производителям размещать несколько каналов усиления в одной коробке.
• Надежность; наименьшая вероятность отказа оборудования.

 

Минусы:

• Качество звука значительно зависит от различных внешних факторов.
• Усилитель может быть тяжелым и громоздким, вес некоторых экземпляров может достигать 35 кг.
• Относительно небольшая разница в звуке между большинством моделей средней линии.
• Устаревшая технология.

 

 

Усилитель класса D

 
Новейшей технологией являются усилители класса D. Часто ошибочно усилители класса D называют «цифровыми» (digital — цифровой). Не все усилители класса D являются полностью цифровыми, хотя, безусловно, с сигналом происходит много цифровой обработки.

 

Класс D — невероятно эффективный способ усиления звука. В сущности, эти усилители создают собственные волны (периодический сигнал прямоугольной формы), который разделяет часть частоты аудио спектра на звуки, которые можно услышать, и звуки, которые являются слишком высокими, чтобы их можно было услышать. Это по-прежнему положительно-отрицательный сигнал, однако отрицательная часть создается из неиспользуемых высокочастотных сигналов.

 

Таким образом, представляя половину формы волны как полную волну, усилитель позволяет получить чистый линейный звук и такую эффективность, которая дает возможность значительно уменьшить размеры и вес усилителя. Такие усилители практически не генерируют тепло, бич всей электроники.

 

 

Плюсы:

• Супер эффективность, практически не производит тепло, нет потери энергии.
• Возможность создавать компактные компоненты.
• Экономичность.
• Экологичность, очень низкое потребление энергии.

 

Минусы:

• Пока что новая технология, существует множество вариаций.
• Очень широкий диапазон производительности.
• Меломаны замечают слабую динамику и поверхностный бас.
• Развивающаяся технология, которая со временем должна стать лучше.

 

Если вам потребуется любая помощь в выборе акустических систем, их покупке или установке, вы всегда можете обратиться к нам, по телефону 8-499-391-72-14, пишите на почту [email protected] или на Whatsapp

аудио-усилители класса D, не требующие выходного фильтра компании On Semiconductor

Фирма МТ-Систем предлагает разработчикам портативных устройств с батарейным питанием, в которых крайне необходимы компактность, низкое потребление и стоимость, серию NCP2820 компактных аудио-усилителей класса D компании On Semiconductor.

Микросхема серии NCP2820 представляет собой моноканальный аудио-усилитель класса D с мостовой схемой выходного каскада (Bridge Tied Load (BTL)). Усилитель способен обеспечить постоянную среднюю выходную мощность 2.65 Вт, через динамик 4 Ом, при напряжении 5 В, а в тех же условиях, но на динамике 8 Ом 1.4 Вт. При этом уровень искажений и шума (Total Harmonic Distortion plus Noise (THD+N)) не превысит 1%.  

Микросхема обрабатывает аналоговый вход, используя принцип ШИМ (частота 250 кГц), обеспечивая, при этом выходной шум и уровень нелинейных искажений на минимально возможном уровне. А схема подавления шума “pop and click”, гарантирует, что дополнительный шум не будет возникать при включении и выключении устройства. Т.о. устройство может быть выключено в режиме ожидания. А встроенный в схему взвешивающий фильтр типа A (A-weighted filter) гарантирует чистый аудиовыход с уровнем шума ниже 42 мВ, независимо от нагрузки.

Типовая схема включения NCP2820

Усилитель NCP2820 способен обеспечить еще более высокое качество сигнала. Например, при напряжении питания 5 В, сопротивлении нагрузки 8 Ом и выходной мощности 100 мВт, величина THD+N составит менее 0,03%.

Для нормальной работы усилителя NCP2820 не требуется никого выходного фильтра, что позволяет уменьшить размеры и стоимость разработки на его основе. А высокий КПД 90% и сверхнизкое потребление 0.42 мкА в выключенном состоянии (shutdown), минимизируют рассеяние тепла и расход энергии, позволяя еще больше уменьшить габариты и обеспечить длительную автономную работу устройства.

Устройства NCP2820 предлагается в двух вариантах корпусов сверхкомпактном Flip-Chip-9 (1.45 x 1.45 мм) и практичном DFN-8 (2.2 x 2 мм), имеющим автомобильное исполнение, префикс NCV.

 

Отличительные черты:

• Не требует никого выходного фильтра
• Эффективность до 90%
• Типовое значение тока покоя, менее 2.5 мА
• Выходная мощность на нагрузке 8 Ом, не менее 1.4 Вт
• Уровень нелинейных искажений и шума на нагрузке 8 Ом, менее 1%
• Высокое качество сигнала: THD+N < 0,03%@5 В, RL = 8 Ом Pout = 100 мВт
• Высокий коэффициент подавление пульсаций питания (PSRR): -65 Дб (Исключается необходимость в дополнительном регуляторе напряжения)
• Дифференциальный вход и выход (Исключается необходимость ставить развязывающие конденсаторы)
• Высокая скорость включения/отключения
• Возможность внешней установки коэффициента усиления (внешними резисторами Ri)
• Внутренняя частота ШИМ 250 кГц
• Встроенная схема подавления шума “Pop and Click”
• Устройства, имеющие префикс NCV (NCV2820MUTBG) соответствуют автомобильному стандарту AEC−Q100
• Корпус: Flip-Chip-9 (1.45 x 1.45 мм) или DFN-8 (2.2 x 2 мм) 

Доступность:

Усилитель NCP2820 находятся в массовом производстве и доступен под заказ

 

Информация для заказа:

Устройство	Корпус	Упаковка
NCP2820FCT1G	Flip-Chip-9	Катушка 3000 шт. Ориентация T1
NCP2820FCT2G		Катушка 3000 шт. Ориентация T2
NCP2820MUTBG	DFN-8	Катушка 3000 шт.
NCV2820MUTBG

Ресурсы:

 

 

 

Какие бывают классы аудиоусилителей?

Когда вы начнете покупать AV-ресивер или усилитель мощности, вы неизбежно встретите буквы, обозначающие тип используемого усилителя. Раньше было всего несколько типов классов аудиоусилителей, и один из них был чрезвычайно редким, но теперь на рынок вышло еще несколько классов, и есть некоторые вещи, которые полезно знать в отношении классов усилителей и различные типы усилителей, используемых в современном домашнем кинотеатре.

Не вдаваясь в подробности, класс усилителя — это краткое описание того, как усилитель обрабатывает входной сигнал на путь выходного сигнала. Так работает усилитель: он принимает линейный вход и преобразует сигнал во что-то, что может управлять громкоговорителем. Кстати, это «быстрое» определение усилителя в целом. Я сразу перейду к занятиям, потому что это то, о чем на самом деле эта статья.

Существует множество классов, но на ум приходят пять категорий как наиболее распространенные.Это Класс A, Класс B, Класс AB, Класс G и H и Класс D.

Усилители класса A

Я называю их «постоянно включенными» усилителями. Они наименее эффективны, что означает, что они используют наибольшую мощность для того, что делают. Они известны как «линейные» усилители, которые принимают входное напряжение и постоянно управляют транзисторами на протяжении всей формы волны сигнала. Это воспроизводит весь сигнал в том виде, в котором он был введен. Преимущество состоит в том, что они обладают потенциалом для превосходного воспроизведения звука, но за счет энергии и большого количества тепла.Усилители класса A сильно нагреваются (буквально на ощупь) и потребляют много энергии вне зависимости от того, работают они на воспроизведение звука или нет. Усилитель класса A всегда включен, когда он включен. В нем отсутствуют какие-либо режимы ожидания или энергосбережения.

Усилители класса A

хвалят за их качество и хвалят за их неэффективность. Усилитель класса A обычно работает с КПД около 20%. Это означает, что на каждые 20 ватт он выдает примерно 80-100 ватт тепла! Усилителю класса A требуется хорошая вентиляция со всех сторон, чтобы не перегреться.

• Плюсы : Очень точное воспроизведение звука
• Минусы : Слишком много энергии, перегревается, неэффективно

Усилители класса B

Усилитель класса B отличается от усилителя класса A тем, что каждая половина формы волны ( положительный и отрицательный) обрабатываются разными цепями. Это означает, что транзисторы включаются и выключаются в зависимости от того, какую часть сигнала они принимают. Для этого усилителю класса B также необходимы (как минимум) два выходных устройства (транзисторы и т. Д.) На канал.Каждое устройство вывода усиливает половину сигнала, и ни одно из устройств вывода никогда не включается одновременно. Из-за характера работы этих усилителей и того факта, что каждый набор выходных устройств может оставаться выключенным в течение 50% времени, они работают меньше. Однако качество звука может пострадать, так как вся форма волны не воспроизводится полностью за один раз. Поскольку сигнал разделяется на положительную и отрицательную формы волны, существует вероятность искажения, когда сигнал достигает точки, в которой он пересекает.Кроме того, происходит гораздо больше, и в итоге у вас появляется больше электроники и, следовательно, больше возможностей повлиять на качество звука.

Из-за принципа работы усилители класса B также известны как «двухтактные» усилители. Обычно вы можете изготовить усилитель класса B за меньшие деньги, поскольку вы можете использовать устройства вывода более низкого качества, поскольку они не несут ответственности за полную нагрузку по усилению аудиосигнала.

• Плюсы : более эффективная работа, чем у класса A
• Минусы : пониженное качество звука, более высокие искажения

Усилители класса AB

Теперь мы начинаем готовить на газе… Усилитель класса AB — это комбинация обоих предыдущих классов, и это действительно дает лучшее из обоих миров.Он поддерживает качество звука усилителя класса A, но стремится к эффективности усилителя класса B. Это достигается за счет работы в режиме класса A при низких уровнях выходного сигнала. Поток напряжения, который течет в выходном устройстве (выходное смещение), также сохраняется немного дольше, так что двухтактный эффект сводит к минимуму любые искажения в точке, где форма волны переключается с положительного на отрицательный и обратно. Это также делает усилитель «быстрее» и помогает каждой части процесса. Усилители класса AB практически устраняют нелинейные проблемы усилителей класса B, но они повышают эффективность до уровня класса B или выше (обычно около 50%).Они по-прежнему нагреваются, но ничто по сравнению с усилителем класса А. Усилители класса AB — самый распространенный тип усилителей для домашних кинотеатров и даже автомобильных стереосистем.

• Плюсы : Более эффективная работа, чем у класса A, потенциал для высокого качества звука
• Минусы : Любители стерео по-прежнему будут нуждаться в усилителях класса A

Усилители класса G и усилители класса H

A Класс G или класс Усилитель H — это, по сути, усилитель класса AB на стероидах.И здесь мы начинаем говорить о шинах напряжения. Шина напряжения — это величина напряжения, допустимого или производимого источником питания. Обычно это что-то «установленное». Усилитель класса G — это усилитель, который осознает необходимость дополнительной мощности, когда этого требует сигнал. Когда пики выходного сигнала превышают основную шину напряжения, усилитель переключает выходной сигнал на вторичную шину с более высоким напряжением и управляет нагрузкой. Это позволяет усилителям класса G работать с более высоким КПД класса AB, но также обеспечивает при необходимости большие пики без необходимости поднимать шину напряжения по всей плате.

Усилитель класса H очень похож, но он контролирует напряжение на входе и при необходимости регулирует напряжение на шине питания, позволяя обрабатывать пики.

• Плюсы : Превосходное качество и эффективность
• Минусы : Трудно добиться хорошего качества

Усилители класса D

Прежде всего: усилители класса D не обязательно являются цифровыми усилителями. Их обычно называют таковыми, поэтому лучше отказаться от этой терминологии, чтобы избежать путаницы.Основная привлекательность усилителей класса D — это эффективность. Другое название усилителя класса D — «переключающий» усилитель из-за того, что они быстро переключают выходные устройства, по крайней мере, дважды за цикл (форму волны). Поскольку мы говорим о звуковых частотах (до 20 кГц), это может означать, что они могут включать и выключать преобразованный входной сигнал миллионы раз в секунду. В зависимости от конструкции усилители класса D обычно имеют КПД 80% или более. Что сложно с классом D, так это с такими вещами, как искажения и поддержание качества звука.

Из-за того, как работает усилитель класса D, выходной каскад прямо пропорционален (обычно в десять или более раз) этим мгновенным импульсам входного сигнала, но выходные импульсы включают гармонические искажения, которые необходимо фильтровать. Результирующий сигнал представляет собой усиленную версию входного сигнала. Поэтому усилители класса D наиболее популярны, когда усиливаемые частоты намного ниже частоты коммутации. Вот почему класс D является основным выбором для сабвуферных усилителей. Тем не менее, лучшие фильтры и лучшие методы приводят к тому, что класс D обеспечивает более высокое качество, и, следовательно, они становятся все более популярными в настольных системах и даже в некоторых ресиверах и усилителях домашнего кинотеатра.

Усилители класса D могут иметь аналоговое или цифровое управление, но результат всегда аналоговый.

• Плюсы : Высокоэффективный, основной дизайн усилителей сабвуфера, недавнее улучшение качества
• Минусы : Высокие гармонические искажения на частоте переключения

Классы аудиоусилителей — в заключение

Если что, просто проясняю некоторые путаница была бы отличным результатом написания этой статьи. Очевидно, что усилители класса А остаются фаворитом аудиофилов — и не зря.Только не смотрите, как крутится ваш измеритель мощности, и не подсчитывайте, сколько вам стоит этот усилитель, пока он включен! Класс AB, несомненно, является наиболее распространенным усилителем, используемым в домашнем кинотеатре, но новые технологии, такие как классы G и H, позволяют создавать привлекательные конструкции. Класс D всегда был отличным выбором для сабвуферных усилителей, но теперь я все больше перехожу от скептицизма к удивлению по поводу более продвинутого дизайна домашних кинотеатров. Недорогой усилитель класса D, вероятно, будет ужасно звучать в домашнем кинотеатре или настольных аудиоприложениях, но лидеры отрасли, являющиеся пионерами новой технологии класса D (например, модели ICEpower от Bang & Olufsen, хотите верьте, хотите нет) дают классу D совершенно новую репутацию.

Аудиоусилители класса D | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Целевые / профилирующие файлы cookie:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Отклонить файлы cookie

Классы работы усилителя

Обзор классов усилителя Работа усилителя заметно отличается в зависимости от класса работы. ВЧ-усилители

классифицируются как A, AB, B или C в соответствии с фазовым углом (количество градусов тока во время каждого цикла RF на 360 градусов) , по которому протекает ток пластины или коллектора.

Усилители

класса A
усилители класса A работают в относительно небольшой части диапазона тока пластины или коллектора транзистора и имеют непрерывный ток пластины или коллектора на протяжении каждого радиочастотного цикла. Их эффективность при преобразовании мощности источника постоянного тока в выходную мощность ВЧ низка. Мощность источника постоянного тока, которая не преобразуется в выходную радиочастотную мощность, рассеивается как тепло. Однако в качестве компенсации усилители класса A имеют большую линейность формы сигнала (более низкое искажение выходного сигнала) , чем усилитель любого другого класса.Чаще всего они используются в приложениях с малым сигналом, где линейность более важна, чем энергоэффективность, но также иногда используются в приложениях с большим сигналом, где потребность в чрезвычайно высокой линейности перевешивает недостатки затрат и тепла, связанные с низкой энергоэффективностью.

Усилители

класса B У усилителей
класса B ламповые управляющие решетки или базы транзисторов смещены около отсечки пластинчатого или коллекторного тока, в результате чего пластинчатый или коллекторный ток протекает только в течение примерно 180 градусов каждого радиочастотного цикла.Это приводит к тому, что КПД от источника постоянного тока к выходной мощности ВЧ будет намного выше, чем у усилителей класса A, но за счет серьезного искажения формы волны выходного цикла. Это искажение формы сигнала значительно уменьшается в практических конструкциях за счет использования резонансных выходных цепей с относительно высокой добротностью для восстановления полных циклов РЧ.

Эффект в принципе тот же, что и при подталкивании ребенка к качелям через полуволны и позволяя естественным колебательным характеристикам качелей перемещать ребенка через другие полупериоды.Однако в любом случае низкие синусоидальные искажения возникают только в том случае, если добротность колебательного контура ( резервуарный контур или качание ) достаточно высока. Если Q не является бесконечным, чего никогда не может быть, амплитуда одного полупериода будет больше, чем другого, что является другим способом сказать, что всегда будет некоторое количество гармонической энергии. (слишком плотное соединение антенной системы с резонансным выходным баком усилителя снизит его добротность, увеличивая процентное содержание гармоник на выходе.)

Другой эффективный метод, обычно используемый для значительного уменьшения искажения формы выходного сигнала РЧ усилителя класса B (содержание гармоник ), заключается в использовании двух усилителей, работающих по принципу «двухтактный», так что один работает в полупериодах, когда другой — в отсечка пластинчатого или коллекторного тока. Цепи колебательного резервуара по-прежнему используются на выходах двухтактных усилителей класса B для сглаживания коммутационных переходов от проводимости одного усилителя к другому и для коррекции других нелинейностей, но цепи резервуара с более низкой добротностью могут использоваться для заданного процента гармоник. содержание в выводе. (Цепи резервуаров могут быть более нагружены для данного процента гармонических выходов, когда два усилителя работают в двухтактном режиме.)

Усилители класса AB
Как следует из обозначения, усилители класса AB представляют собой компромисс между работой класса A и класса B. . Они смещены, поэтому ток пластины или коллектора течет менее 360 градусов, но более 180 градусов каждого радиочастотного цикла. Можно использовать любую точку смещения между этими пределами, что обеспечивает непрерывный диапазон выбора, простирающийся от низкого уровня искажений и низкого КПД на одном конце до более высоких искажений и более высокого КПД на другом.

Усилители

класса AB широко используются в линейных усилителях SSB, где очень важны малые искажения и высокая энергоэффективность. Двухтактные усилители класса AB особенно привлекательны в приложениях линейных усилителей SSB, поскольку большая линейность, возникающая в результате того, что один или другой усилитель всегда проводит ток, позволяет смещать двухтактные усилители класса AB ближе к концу класса B шкалы AB, где энергоэффективность выше. В качестве альтернативы, двухтактные усилители класса AB могут быть смещены достаточно далеко в сторону высоколинейного конца шкалы класса A, чтобы сделать широкополосную работу без резонансных контуров резервуара в приложениях, где широкополосная работа или свобода от настройки более важны, чем энергоэффективность.

Усилители

класса C
Усилители класса C смещены далеко за пределы отсечки, так что ток пластины или коллектора протекает менее чем на 180 градусов в каждом ВЧ-цикле. Это обеспечивает даже более высокую энергоэффективность, чем работа класса B, но с еще более высокой нелинейностью входа-выхода, используя Относительно высокодобротные резонансные схемы выходного резервуара для восстановления полных синусоидальных циклов РЧ необходимы. Высокая нелинейность усиления делает их непригодными для усиления сигналов AM, DSB или SSB.

Однако большинство усилителей класса C можно модулировать по амплитуде с приемлемо низким уровнем искажений путем изменения напряжения пластины или коллектора, поскольку они обычно работают в области насыщения пластины или коллектора, так что выходное ВЧ напряжение очень близко. зависит от мгновенного постоянного напряжения пластины или коллектора. Они также обычно используются в приложениях CW и радиотелеграфа с частотной манипуляцией, а также в приложениях передатчиков с фазовой и частотной модуляцией, где амплитуды сигналов остаются постоянными.

Классы усилителей — Electronics-Lab.com

Введение

Усилители

обычно классифицируются в зависимости от структуры выходного каскада. Действительно, усиление мощности действительно происходит на этом этапе, и поэтому качество и эффективность выходного сигнала определяется архитектурой выхода усилителя. Классификация состоит из алфавитного расположения A, B, AB и C, что связано с историей появления усилителей. В этой статье мы кратко расскажем о каждом классе усилителей.Каждый класс обозначает качество усиления в основном по двум критериям: эффективность и угол проводимости .

Классы усилителя Угол проводимости

КПД усилителя η определяется по следующей формуле:

уравнение 1: Определение КПД

P _out — это мощность на выходе, подаваемая на нагрузку, тогда как P _abs — это мощность, потребляемая усилителем.

Угол проводимости — это мера того, какая часть входного сигнала используется для усиления.Это значение находится в диапазоне от 360 ° или 2π рад до 0 ° или 0 рад . Верхний предел 360 ° означает, что 100% входного сигнала используется для процесса усиления, а нижний предел 0 ° означает, что сигнал не принимается. Мы уточним это далее.

Примечание о смещении

Есть причина, по которой, прежде чем описывать различные классы усилителей, мы кратко поговорим о смещении. Действительно, если действительно есть что вспомнить об этом руководстве, так это то, что класс усилителя полностью определяется смещением, приложенным к транзистору .

Диаграмма, представленная на рис. 1 , теперь должна быть знакома :

рис 1: Схема делителя напряжения

В , рис. 1, , биполярный транзистор с коэффициентом усиления по току β смещен цепью делителя напряжения, которая состоит из двух параллельных сопротивлений R ₁ и R ₂ , подключенных к базовой ветви. Как мы объясняем в учебном пособии Смещение BJT, ток коллектора и напряжения при отсутствии сигнала переменного тока (I _C0 , V _C0 ) задают рабочую точку или точку покоя усилителя.Точка покоя очень важна, потому что ее положение в выходной характеристике определяет значение угла проводимости и, следовательно, класс усилителя.

Набор значений (I _C0 , V _C0 ) можно настроить с помощью значений сопротивлений смещения и сопротивления эмиттера. Действительно, ток коллектора I _C0 определяется выражением:

уравнение 2: Ток коллектора смещения

Мы можем уточнить два параметра в Уравнение 2 : 0,7 В соответствует напряжению V _BE , которое является пороговым напряжением кремниевых транзисторов.Сопротивление R ₁ // R ₂ является параллельным эквивалентным сопротивлением цепи смещения и определяется соотношением (R ₁ × R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ ) .

А напряжение коллектора В _C0 удовлетворяет:

уравнение 3: Напряжение смещения коллектора

Обратите внимание, что в дальнейшем в этом руководстве мы всегда будем рассматривать биполярные транзисторы, но все, что мы говорим, применимо также и к другим типам транзисторов, таким как полевые МОП-транзисторы. Более того, для упрощения мы используем усилитель с общим эмиттером в качестве исследуемой конфигурации, поэтому выходные сигналы, показанные на рисунках, будут инвертированы.

Усилитель класса A

Усилитель класса A характеризуется углом проводимости 360 ° . Для достижения этой функции точка покоя усилителя класса A выбирается в середине линии нагрузки, как показано на Рисунок 2 :

рис 2: Условия смещения класса A

Точка покоя удовлетворяет требованиям I _C0 = V _подача / 2R _C и V _C0 = V _подача /2 . Эти формулы вместе с формулой Equation 2 и Equation 3 позволяют выбрать правильные значения сопротивлений смещения, чтобы получить усилитель класса A.

Потребляемая мощность усилителя класса A постоянна и равна P _abs = V _supply × I _C0 . Выходная мощность является произведением среднеквадратичного выходного тока и напряжения: P _out = V _{out, среднеквадратичное значение} × I _{out, среднеквадратичное значение} . Максимальное значение P _out дается, когда выходной ток достигает верхнего предела I _{C 0} и выходное напряжение достигает источника питания V _supply : P _{out, max} = (V _supply × I _C0 ) / 2 .Таким образом, максимальная эффективность составляет:

. уравнение 4: Максимальный КПД усилителя класса A

В действительности КПД составляет от 20 до 30%, а 50% может быть достигнуто с помощью конфигурации с двумя транзисторами. Такой низкий КПД подчеркивает тот факт, что усилители класса A потребляют мощность даже при отсутствии входных сигналов переменного тока.

Усилитель класса B

Усилители

класса B были разработаны как ответ на низкий КПД усилителей класса A. Этот класс усилителей характеризуется углом проводимости 180 °, , то есть они используют только половину входного сигнала для реализации процесса усиления.Чтобы получить усиление класса B, необходимо смещать схему в соответствии с Рисунок 3 :

рис. 3: Условия смещения класса B

Рабочая точка здесь расположена в точке отсечки и удовлетворяет требованиям I _C0 = 0 и V _C0 = V _{питание} .

Совершенно очевидно, что точное усиление не может быть достигнуто с усилителем класса B. Для решения этой проблемы одним из наиболее распространенных решений является использование двух транзисторов (один NPN и один PNP) в так называемой «двухтактной» конфигурации:

Рис. 4: Двухтактная конфигурация класса B

Транзистор NPN усиливает положительный сигнал на входе, а PNP усиливает отрицательный сигнал.Комбинация приводит к добавлению двух независимых усилителей, воспроизводящих форму входного сигнала.

Однако существует явление, называемое перекрестным искажением , которое не позволяет усилителям класса B, даже в двухтактной конфигурации, давать 100% достоверное усиление. Причина заключается в пороговом напряжении транзисторов (+0,7 В для NPN и -0,7 В для PNP), которое создает интервал 1,4 В, когда никакое усиление не выполняется ни с NPN, ни с PNP-транзистора.Следствием этого является искажение сигнала около точки 0 В выходного сигнала, что хорошо известно аудиофилам.

Тем не менее, усилитель класса B имеет преимущество перед усилителем класса A в том, что он более эффективен с теоретической максимальной эффективностью η _max = 78,5% . Однако эффективность, наблюдаемая на реальных конфигурациях, не превышает 70%.

Усилитель класса AB

Как следует из названия, усилитель класса AB ведет себя как комбинация усилителей класса A и класса B.Он был разработан для того, чтобы преодолеть низкий КПД класса A и искажение класса B. Усилители класса AB характеризуются углом проводимости в интервале] 180 °; 360 ° [. Рабочая точка, задаваемая схемой смещения, расположена между точкой покоя класса A и точкой отсечки:

рис 5: Условия смещения класса AB

Рабочая точка усилителя класса AB удовлетворяет: 0 C0 питание / 2R _C и V _{питание} /2 C0 < В _{питание} .

Когда рабочая точка ближе к точке отсечки, усилитель «становится» больше как класс B, чем как класс A: сигнал становится более искаженным, но эффективность увеличивается. Напротив, когда рабочая точка приближается к точке покоя в середине линии нагрузки, усилитель ведет себя больше как класс A, чем как класс B: выходной сигнал воспроизводится более точно, но эффективность снижается.

Поскольку усилители класса AB предлагают хороший компромисс между преимуществами линейности класса A и хорошей эффективностью класса B, они сегодня широко используются во многих приложениях.Обычно они находятся в двухтактной конфигурации, такой как представлена ​​на , рис. 4, , и они даже устраняют перекрестные искажения во время сложения двух усиленных выходов транзисторов NPN и PNP.

Усилитель класса C

Последним наиболее распространенным классом усилителей является класс C. Он характеризуется небольшим углом проводимости, который находится в интервале ] 0 °; 90 ° [. Рабочая точка класса C находится за точкой отсечки, совмещена с линией нагрузки, но в области отрицательных токов смещения:

рис 6: Условия смещения класса C

Фактически рабочая точка класса C удовлетворяет: I _C0 <0 и V _C0 > V _{питание} (что имеет смысл из уравнения 3 , если I _C0 <0).

Высокие искажения, создаваемые усилителями класса C, могут быть обработаны параллельным резонансным контуром L // C, который состоит из индуктивности (L) и емкости (C). Эта схема действительно может преобразовывать выходные импульсы в полные синусоидальные волны. По этой причине усилители класса C используются в высокочастотных приложениях .

Самым большим преимуществом усилителя класса C является его КПД, который превышает 78,5% и может приближаться к 100% в зависимости от того, насколько далеко рабочая точка находится от точки отсечки.

Заключение

Во время этого введения в классы усилителей мы видели, что для данной конфигурации (полевой МОП-транзистор, общий эмиттер…) схема смещения сильно влияет на поведение усилителя. Способ смещения усилителей можно разделить на четыре основных класса:

• Класс A: Рабочая точка находится в середине линии нагрузки. У него самая высокая линейность, но самый низкий КПД около 20-30%. Этот класс очень ценят аудиофилы, считающие, что он воспроизводит чистейший звук.
• Класс B: Рабочая точка соответствует точке отсечки линии нагрузки. Он имеет хороший КПД около 70%, но создает кроссоверные искажения при использовании в двухтактной конфигурации.
• Класс AB: Рабочая точка находится между серединой и точкой отсечки линии нагрузки. Он сочетает в себе преимущества классов A и B за счет разумного КПД выше 50% и хорошей линейности при использовании в двухтактной конфигурации. Таким образом, класс AB обычно используется в выходных каскадах многих приложений: усилители звука, функциональный генератор…
• Класс C: Рабочая точка выше точки отсечки.Он имеет самый высокий КПД выше 80%, но самую низкую линейность. Усилители класса C могут использоваться только в высокочастотных приложениях.

Позже, после развития этих технологий, были разработаны усилители других классов для решения конкретных задач, в основном для высокочастотных приложений. Мы можем упомянуть, например:

• Класс D: Это нелинейные усилители, и их эффективность очень высока (близка к 100%). Они широко известны как усилители ШИМ (широтно-импульсная модуляция).Усилители класса D используются в двухтактной конфигурации и дают в качестве выходного сигнала импульс, который можно легко фильтровать с помощью индуктивности и конденсатора, чтобы воспроизвести исходную желаемую форму.
• Класс E: Они используются для усиления радиочастот от 3 МГц до 10 ГГц. Усилители класса E предлагают для верхнего предела частоты хороший КПД выше 70%.

В следующих уроках мы подробно расскажем о каждом из наиболее распространенных классов: A, B и AB.

Усилители мощности класса AB

Пристегните, класс: требуется небольшой урок истории усилителя, чтобы получить хорошее представление о том, где живые усилители мощности класса AB вписываются в профессиональный звуковой ландшафт. Все началось с самого простого и самого раннего стиля, который многие профессионалы до сих пор считают самым лучшим: усилители A-класса. Их схемы построены на одном транзисторе, и это создает особую проблему. Чтобы динамик сидел в состоянии покоя, когда на усилитель не поступает напряжение, ему необходимо смещать свой транзистор, что означает, что он все время использует питание — даже когда он молчит! Усилители класса А имеют самый низкий КПД среди всех типов: до трех четвертей потребляемой мощности теряется в виде тепла.

Чтобы создать усилитель, который не сгорает изнутри, инженеры разработали конструкцию с двумя транзисторами, которая стала усилителем B-класса. Он использует один транзистор для положительного напряжения (пики звуковой волны), а второй — для отрицательного (впадины), что ставит нейтральную точку прямо посередине. Но и это не идеально: задержка между транзисторами создает эффект, называемый «кроссоверными искажениями». К счастью, есть простое решение — вернув в схему немного смещения, мы можем устранить искажения, отказавшись лишь от небольшой эффективности.В результате получился усилитель класса AB, обеспечивающий почти все качество звука класса A и почти всю эффективность класса B.

Усилители этой категории являются наиболее распространенными в целом, поэтому вполне естественно, что будет множество вариантов, предназначенных для живого звука. Здесь есть усилители мощности класса AB для систем любого масштаба, от типичных выходов усилителя мощности QSC RMX850a и усилителя мощности Cerwin-Vega CV-900 до невероятных уровней мощности усилителя мощности QSC RMX850a и Behringer EP2000. EUROPOWER Power Amp.Ищете золотую середину? Обратите внимание на усилитель мощности QSC RMX1450a. Независимо от того, какой усилитель класса AB подходит вам, можно с уверенностью сказать, что вы можете найти его здесь — просто потратьте столько времени, сколько вам нужно, чтобы взвесить все варианты!

Классы усилителей звука | Максим Интегрированный

Аналогичная версия этой статьи опубликована в EE Times , 24 апреля 2013 г.

Введение

Аудиоусилитель увеличивает амплитуду слабого сигнала до полезного уровня, сохраняя при этом детализацию меньшего сигнала.Это называется линейностью. Чем выше линейность усилителя, тем более точным отображением входного сигнала является выходной сигнал.

В связи с постоянно меняющимися требованиями к характеристикам усилителей на рынке аудио, было сделано много достижений в топологиях аудиоусилителей. Следовательно, проектировщики должны знать типы доступных усилителей звука и характеристики, связанные с каждым из них. Это единственный способ убедиться, что вы выбрали лучший аудиоусилитель для приложения. В этом руководстве мы исследуем наиболее важные характеристики каждого класса аудиоусилителей, доступных сегодня: Class A, Class B, Class AB, Class D, Class G, Class DG и Class H.

Усилители класса A

Самый простой тип аудиоусилителей — это усилители звука класса А. Усилители класса А имеют выходные транзисторы (, рис. 1, ), которые проводят (т. Е. Не полностью выключаются), независимо от формы выходного сигнала. Класс A — это наиболее линейный тип аудиоусилителя, но он имеет низкую эффективность. Следовательно, эти усилители используются в приложениях, требующих высокой линейности и достаточной мощности.

Рис. 1. Аудиоусилитель класса A обычно ассоциируется с высокой линейностью, но низкой эффективностью.

Усилители класса B

В усилителях класса B используется двухтактная топология усилителя. Выход усилителя класса B включает в себя положительный и отрицательный транзисторы. Чтобы воспроизвести входной сигнал, каждый транзистор проводит только половину (180 °) формы сигнала (, рис. 2, ). Это позволяет усилителю работать в режиме холостого хода с нулевым током, тем самым повышая эффективность по сравнению с усилителем класса А.

У усилителя класса B есть компромисс: повышенная эффективность ухудшает качество звука.Это происходит потому, что существует точка кроссовера, в которой два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Известно, что аудиоусилители класса B имеют кроссоверные искажения при обработке сигналов низкого уровня. Они не подходят для приложений с низким энергопотреблением.

Рис. 2. В усилителе звука класса B выходные транзисторы проводят только половину (180 °) формы сигнала. Для усиления всего сигнала используются два транзистора, один проводящий для положительных выходных сигналов, а другой — для отрицательных выходных сигналов.

Усилители класса AB

Компромисс между топологиями усилителей класса A и класса B — аудиоусилитель класса AB. Усилитель класса AB обеспечивает качество звука топологии класса A с эффективностью класса B. Эти характеристики достигаются за счет смещения обоих транзисторов так, чтобы выходной сигнал был близок к нулю, то есть в точке, где усилители класса B вносят нелинейность (, рис. ). Для слабых сигналов оба транзистора активны, поэтому работают как усилитель класса А.При сильных отклонениях сигнала только один транзистор активен для каждой половины сигнала, тем самым работая как усилитель класса B.

Акустические усилители класса AB обеспечивают высокое отношение сигнал / шум (SNR), низкий коэффициент нелинейных искажений + шум и, как правило, КПД до 65%. Это делает их идеальным выбором в качестве высококачественных динамиков. Усилители класса AB, такие как MAX98309 и MAX98310, используются в портативных медиаплеерах, цифровых камерах, планшетах и ​​электронных книгах, где необходима высокая точность воспроизведения. Некоторые усилители для наушников используют топологию класса AB в конфигурации с мостовой нагрузкой.Например, усилитель для наушников MAX97220A обеспечивает исключительно низкий коэффициент нелинейных искажений + шум во всем звуковом диапазоне, обеспечивая при этом мощность до 125 мВт; MAX97220A — один из наиболее широко используемых в мире усилителей для наушников класса AB. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса AB.

Рис. 3. Усилитель класса AB смещает оба транзистора так, что они проводят, когда сигнал близок к нулю. Таким образом, эти усилители обеспечивают большую эффективность, чем класс A, с меньшими искажениями, чем класс B.

Усилители класса D

Популярность портативных мобильных аудиоустройств, таких как смартфоны, MP3-плееры и портативные док-станции, заставляет уделять больше внимания потреблению энергии.Теперь необходимо снизить энергопотребление, чтобы увеличить время автономной работы. Усилители класса D используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для создания цифрового выходного сигнала Rail-to-Rail с переменным рабочим циклом для приближения к аналоговому входному сигналу (, рис. 4, ). Эти усилители обладают высокой эффективностью (часто до 90% и выше), поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы. Такой подход полностью исключает использование линейной области транзистора, которая является причиной неэффективности других типов усилителей.Современные усилители класса D также обеспечивают точность воспроизведения, сопоставимую с усилителями класса AB. Коммутационные усилители класса D, такие как MAX98304 и MAX98400A, благодаря своей высокой эффективности широко используются в портативных устройствах. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса D.

Рис. 4. Аудиоусилитель класса D выдает сигнал переключения с частотой намного выше, чем самый высокий звуковой сигнал, который необходимо воспроизвести. Эти усилители очень эффективны, поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы.

Усилители класса G

Усилители класса G аналогичны усилителям класса AB, за исключением того, что они используют два или более напряжения питания. При работе с низким уровнем сигнала усилители класса G выбирают низкое напряжение питания. По мере увеличения уровня сигнала эти усилители автоматически выбирают подходящее напряжение питания (, рис. 5, ). Усилители класса G более эффективны, чем усилители класса AB, потому что они используют максимальное напряжение питания только , когда это необходимо; Напротив, усилители класса AB всегда используют максимальное напряжение питания.

Обычная проблема портативных аудиоприложений: ограниченное напряжение питания усилителя динамика. Усилители мощности класса G решают эту проблему напряжения питания за счет использования насоса заряда для повышения напряжения питания. Например, усилитель для динамика MAX9730 оптимизирован для традиционных динамических динамиков, а усилитель для динамика MAX9788 разработан для керамических динамиков. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса G.

Рис. 5. Усилитель класса G более эффективен, чем усилитель класса AB, поскольку он использует максимальное напряжение питания только тогда, когда это необходимо.

Усилители класса DG

Усилитель класса DG использует ШИМ для генерации цифрового выходного сигнала Rail-to-Rail с переменным рабочим циклом. В этом отношении усилитель класса DG аналогичен усилителю класса D. Однако усилитель класса DG также использует многоуровневый выходной каскад для измерения величины выходного сигнала (, рис. 6, ). Затем он переключает шины питания по мере необходимости, чтобы более эффективно подавать требуемую мощность сигнала. Усилитель класса DG, такой как MAX98308, использует ту же концепцию двойного питания, что и переключающая топология класса D, для еще большей эффективности.Другие примеры см. В усилителях Maxim класса DG.

Рис. 6. Усилитель класса DG определяет величину выходного сигнала и затем переключает шины питания по мере необходимости для более эффективной подачи требуемой мощности сигнала.

Усилители класса H

Усилители класса H модулируют напряжение питания, чтобы минимизировать падение напряжения на выходном каскаде. Реализации варьируются от использования нескольких дискретных напряжений до плавно регулируемого источника питания.Хотя топология класса H похожа на методику уменьшения рассеяния на выходных устройствах класса G, она не требует нескольких источников питания (, рис. 7, ).

Усилители класса H обычно более сложны, чем другие конструкции аудиоусилителей. Эти усилители требуют дополнительных схем управления для прогнозирования и управления напряжением питания. Микросхемы аудиокодеков, такие как MAX98090 и MAX98091, объединяют усилитель для наушников класса AB с силовой структурой класса H, чтобы обеспечить очень низкое энергопотребление и полное звуковое решение.Другие примеры см. В усилителях Maxim класса H.

Рис. 7. Аудиоусилитель класса H снижает рассеивание на выходных устройствах, подключенных к этому источнику питания. Это позволяет усилителю работать с оптимизированным КПД класса AB независимо от уровня выходной мощности.

Резюме

Это был краткий обзор многих типов звуковых усилителей, обычно используемых в современных конструкциях. Ясно, что при проектировании аудиосхемы для любого типа устройства следует проявлять осторожность при определении топологии аудиоусилителя, наилучшим образом подходящей для данного приложения.Хорошее понимание этих различных классов аудиоусилителей поможет вам выбрать лучший аудиоусилитель для вашей конструкции.

Классы работы усилителя

— биполярные транзисторы

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В предыдущих обсуждениях мы предполагали, что для каждой части входного сигнала есть выход усилителя. Это не всегда относится к усилителям. Может быть желательно, чтобы транзистор проводил только часть входного сигнала.Часть входа, для которой есть выход, определяет класс работы усилителя. Есть четыре класса операций усилителя. Это класс A, класс AB, класс B и класс C.

Работа усилителя класса A

Усилители класса A смещены, так что изменения полярности входного сигнала происходят в пределах ОТКЛЮЧЕНИЯ и НАСЫЩЕННОСТИ. Например, в PNP-транзисторе, если база становится положительной по отношению к эмиттеру, дыры будут отталкиваться в PN-переходе, и ток не может течь в цепи коллектора.Это состояние называется отсечкой. Насыщение происходит, когда база становится настолько отрицательной по отношению к эмиттеру, что изменения сигнала не отражаются на токе коллектора.

Смещение усилителя таким образом помещает рабочую точку постоянного тока между отсечкой и насыщением и позволяет току коллектора течь в течение полного цикла (360 градусов) входного сигнала, тем самым обеспечивая выход, который является копией входного. На предыдущем рисунке показан пример усилителя класса А.Хотя выходной сигнал этого усилителя сдвинут по фазе на 180 градусов по фазе со входом, выходной ток по-прежнему течет в течение всей продолжительности входного сигнала.

Управляемый усилитель класса A используется в качестве усилителя аудио- и радиочастоты в радио-, радиолокационных и звуковых системах, это лишь несколько примеров.

Для сравнения выходных сигналов для различных классов работы усилителя обратитесь к рисунку ниже во время следующего обсуждения.

Сравнение выходных сигналов для различных классов работы усилителя.

Работа усилителя класса AB

Усилители, предназначенные для работы в классе AB, смещены так, что ток коллектора равен нулю (отсечка) для части одного изменения входного сигнала. Это достигается за счет того, что напряжение прямого смещения меньше пикового значения входного сигнала. Таким образом, переход база-эмиттер будет смещен в обратном направлении во время одного чередования в течение времени, в течение которого напряжение входного сигнала противодействует и превышает значение напряжения прямого смещения.Следовательно, ток коллектора будет течь более чем на 180 градусов, но менее чем на 360 градусов входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид B). По сравнению с усилителем класса A рабочая точка по постоянному току для усилителя класса AB ближе к отсечке.

Усилитель класса AB обычно используется в качестве двухтактного усилителя для преодоления побочного эффекта работы класса B, называемого кроссоверными искажениями.

Работа усилителя класса B

Усилители, смещенные таким образом, что ток коллектора отключается в течение половины входного сигнала, относятся к классу B.Рабочая точка постоянного тока для этого класса усилителей настроена так, что базовый ток равен нулю при отсутствии входного сигнала. При подаче сигнала один полупериод смещает переход база-эмиттер вперед, и поток Ic будет течь. Другой полупериод изменит обратное смещение перехода база-эмиттер, и Ic будет отключен. Таким образом, для работы класса B ток коллектора будет течь примерно на 180 градусов (половина) входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид C).

Усилитель класса B широко используется для аудиоусилителей, требующих мощных выходов.Он также используется в качестве каскада драйвера и усилителя мощности передатчиков.

Работа усилителя класса C

В режиме работы класса C ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид D). Работа класса C достигается за счет обратного смещения перехода эмиттер-база, который устанавливает рабочая точка постоянного тока ниже отсечки и позволяет только той части входного сигнала, которая преодолевает обратное смещение, чтобы вызвать протекание тока коллектора.

Усилитель класса C используется в передатчиках в качестве усилителя радиочастоты.

Из предыдущего обсуждения вы можете сделать вывод, что два основных параметра определяют класс работы усилителя: (1) величина смещения и (2) амплитуда входного сигнала. При заданном входном сигнале и уровне смещения вы можете изменить работу усилителя с класса A на класс B, просто удалив прямое смещение. Также усилитель класса A можно заменить на усилитель класса AB, увеличив амплитуду входного сигнала.Однако, если амплитуда входного сигнала увеличивается до такой степени, что транзистор переходит в режим насыщения и отсечки, тогда он называется усилителем OVERDRIVEN.

Вы должны быть знакомы с двумя терминами, используемыми вместе с усилителями: НАДЕЖНОСТЬ и ЭФФЕКТИВНОСТЬ. Верность — это точное воспроизведение сигнала. Другими словами, если выход усилителя такой же, как и входной, за исключением амплитуды, усилитель имеет высокую степень точности. Противоположность верности — это упомянутый нами термин. ранее искажение.Следовательно, схема с высокой точностью имеет низкий уровень искажений. В заключение следует отметить, что усилитель класса A отличается высокой точностью воспроизведения. Усилитель класса AB имеет меньшую точность воспроизведения, а усилители классов B и C имеют низкую или «плохую» точность воспроизведения.

Эффективность усилителя определяется отношением мощности выходного сигнала к общей входной мощности. Усилитель имеет два источника входного питания: один от сигнала, а другой от источника питания. Поскольку каждое устройство требует энергии для работы, усилитель, который работает на 360 градусов входного сигнала, потребляет больше энергии, чем если бы он работал на 180 градусов входного сигнала.При использовании большей мощности усилитель имеет меньшую мощность, доступную для выходного сигнала; таким образом, эффективность усилителя низкая. Так обстоит дело с усилителем класса А. Он работает на 360 градусов входного сигнала и требует относительно большого входного сигнала от источника питания. Даже при отсутствии входного сигнала усилитель класса A по-прежнему использует питание от источника питания. Следовательно, выходная мощность усилителя класса A относительно мала по сравнению с полной входной мощностью. Это приводит к низкой эффективности, приемлемой для усилителей класса A, поскольку они используются там, где эффективность не так важна, как точность воспроизведения.

Усилители класса AB смещены так, что ток коллектора отключается для части одного изменения входа, что приводит к меньшей общей входной мощности, чем у усилителя класса A.