Войти
В электронике, классы усилителей мощности представляют собой буквенные символы, применяемые к различным усилитель мощности типов. Класс дает общее представление о характеристиках и характеристиках усилителя . Классы связаны с периодом времени, в течение которого активное усилительное устройство пропускает ток, выраженным как часть периода формы сигнала, подаваемого на вход. Усилитель класса А проводит через весь период сигнала; Класс B только половину периода ввода, класс C намного меньше половины периода ввода. Усилитель класса D управляет своим выходным устройством в режиме переключения; часть времени, в течение которого устройство проводит, регулируется так, чтобы выходной сигнал широтно-импульсной модуляции был получен из каскада.
Дополнительные буквенные классы определены для усилителей специального назначения с дополнительными активными элементами или конкретными улучшениями источника питания; иногда производитель использует новый буквенный символ для продвижения своего фирменного дизайна.
Цепи усилителя мощности (выход ступеней) классифицируются как A, B, AB и C для линейных схем - и класса D и E для схем переключения. Классы основаны на пропорции каждого входного цикла (угла проводимости), в течение которого усилительное устройство пропускает ток. Изображение угла проводимости получается в результате усиления синусоидального сигнала. Если устройство всегда включено, угол проводимости составляет 360 °. Если он включен только половину каждого цикла, угол составляет 180 °. Угол потока тесно связан с энергоэффективностью усилителя .
. На рисунках ниже биполярный переходной транзистор показан как усилительное устройство. Однако те же атрибуты обнаруживаются у полевых МОП-транзисторов или электронных ламп.
Усилитель класса A В усилителе класса A используется 100% входного сигнала (угол проводимости Θ = 360 °). Активный элемент все время остается проводящим.
Усиливающие устройства, работающие в классе A, работают во всем диапазоне входного цикла. Усилитель класса A отличается тем, что устройства выходного каскада имеют смещение для работы класса A. Подкласс A2 иногда используется для обозначения каскадов класса A для электронных ламп, которые приводят в движение сеть немного положительно на пиках сигнала для немного большей мощности, чем у нормального класса A (A1; где сеть всегда отрицательная). Однако это приводит к более сильному искажению сигнала.
Конструкции усилителей мощности класса A в значительной степени вытеснены более эффективными конструкциями, хотя их простота делает их популярными с некоторыми любителями. Существует рынок дорогих высококачественных усилителей класса A, считающихся «культовым предметом» среди аудиофилов, главным образом из-за отсутствия кроссоверных искажений и снижения нечетных гармоник и гармоник высокого порядка искажение. Усилители мощности класса A также используются в некоторых гитарных усилителях «бутик» из-за их уникального качества звука и для воспроизведения старинных тонов.
Некоторые любители, предпочитающие усилители класса A, также предпочитают использовать термоэмиссионные клапанные (ламповые) конструкции вместо транзисторов по нескольким причинам:
Транзисторы намного дешевле ламп, поэтому более сложные конструкции, в которых используется больше деталей, все же дешевле в производстве, чем конструкции из ламп. Классическим приложением для пары устройств класса A является пара с длинным хвостом, которая является исключительно линейной и формирует основу для многих более сложных схем, включая множество усилителей звука и почти все op -amp.
Усилители класса A можно использовать в выходных каскадах операционных усилителей (хотя точность смещения в недорогих операционных усилителях, таких как 741, может в исполнении класса A, класса AB или класса B, в зависимости от устройства или температуры). Иногда они используются как усилители мощности звука средней мощности, с низким КПД и высокой стоимостью. Потребляемая мощность не связана с выходной мощностью. В режиме ожидания (без входа) энергопотребление практически такое же, как и при большой выходной громкости. Результат - низкий КПД и высокое тепловыделение.
Идеальный усилитель класса B (двухтактный). На практике искажение происходит около точки кроссовера. В усилителе класса B активное устройство проводит на 180 градусов цикла. Если бы было только одно устройство, это вызвало бы недопустимые искажения, поэтому обычно используются два устройства, особенно на звуковых частотах. Каждый из них проводит половину (180 °) сигнального цикла, и токи устройства объединяются так, чтобы ток нагрузки был непрерывным.
На радиочастоте, если связь с нагрузкой через настроенную схему, можно использовать одно устройство, работающее в классе B, потому что накопленная энергия в настроенной схеме обеспечивает «недостающую» половину формы сигнала. Устройства, работающие в классе B, используются в линейных усилителях, так называемых, потому что выходная мощность радиочастоты пропорциональна квадрату входного напряжения возбуждения. Эта характеристика предотвращает искажение сигналов с амплитудной или частотной модуляцией, проходящих через усилитель. Такие усилители имеют КПД около 60%.
Когда усилители класса B усиливают сигнал двумя активными устройствами, каждое работает более половины цикла. Эффективность значительно выше, чем у усилителей класса А. Усилители класса B также используются в устройствах с батарейным питанием, таких как транзисторные радиоприемники. Класс B имеет максимальный теоретический КПД π / 4 (≈ 78,5%).
Практической схемой, использующей элементы класса B, является двухтактный каскад, например, очень упрощенный дополнительный расположение пар показано справа. Каждое из дополнительных устройств используется для усиления противоположных половин входного сигнала, который затем рекомбинируется на выходе. Такая компоновка дает хорошую эффективность, но обычно страдает недостатком, состоящим в небольшом несоответствии в области перехода - на стыках между двумя половинами сигнала, поскольку одно выходное устройство должно брать на себя подачу питания точно так же, как другая отделка. Это называется искажением кроссовера. Улучшение состоит в том, чтобы смещать устройства таким образом, чтобы они не выключались полностью, когда не используются. Этот подход называется работой класса AB.
Идеальный усилитель класса AB В усилителе класса AB угол проводимости является промежуточным между классами A и B; каждый из двух активных элементов проводит больше половины времени. Класс AB широко считается хорошим компромиссом для усилителей, так как большую часть времени музыкальный сигнал достаточно тихий, чтобы сигнал оставался в области «класса A», где он усиливается с хорошей точностью, и по определению при выходе из эта область достаточно велика, чтобы продукты искажения, типичные для класса B, были относительно небольшими. Перекрестные искажения можно дополнительно уменьшить, используя отрицательную обратную связь.
В режиме работы класса AB каждое устройство работает так же, как и в классе B, на половине формы сигнала, но также проводит небольшую часть на другой половине. В результате уменьшается область, в которой оба устройства одновременно почти выключены («мертвая зона»). В результате, когда формы сигналов от двух устройств объединяются, кроссовер значительно сводится к минимуму или полностью устраняется. Точный выбор тока покоя (постоянный ток через оба устройства при отсутствии сигнала) имеет большое значение для уровня искажения (и риска теплового убегающий, который может повредить устройства). Часто напряжение смещения, применяемое для установки этого тока покоя, необходимо регулировать в зависимости от температуры выходных транзисторов. (Например, в схеме, показанной справа, диоды должны быть установлены физически близко к выходным транзисторам и должны иметь согласованный температурный коэффициент.) Другой подход (часто используемый с терморегулирующими напряжениями смещения) состоит в том, чтобы включить резисторы малой мощности. последовательно с эмиттерами.
Класс AB жертвует некоторой эффективностью по сравнению с классом B в пользу линейности, поэтому он менее эффективен (ниже 78,5% для синусоидальных волн полной амплитуды в транзисторных усилителях, как правило; гораздо реже встречается в ламповые усилители класса AB). Обычно он намного более эффективен, чем класс A.
Конструкция ламповых усилителей иногда имеет дополнительный суффиксный номер для класса, например, класса B1. Суффикс 1 указывает, что ток сети не течет во время какой-либо части формы входного сигнала, а суффикс 2 указывает, что ток сети течет для части формы входного сигнала. Это различие влияет на конструкцию каскадов драйвера для усилителя. Номера суффиксов не используются для полупроводниковых усилителей.
Усилитель класса C В усилителе класса C используется менее 50% входного сигнала (угол проводимости Θ < 180°). Distortion is high and practical use requires a tuned circuit as load. Efficiency can reach 80% in radio-frequency applications.
Обычное применение усилителей класса C - это радиочастотные передатчики, работающие на одной фиксированной несущей частоте, где искажения регулируются настроенной нагрузкой на усилитель. входной сигнал используется для переключения активного устройства, заставляя импульсы тока течь через настроенную схему, составляющую часть нагрузки.
Усилитель класса C имеет два режима работы: настроенный и ненастроенный. На диаграмме показана форма сигнала от простой цепи класса C без настроенной нагрузки. Это называется ненастроенной работой, и анализ форм сигнала показывает сильные искажения, которые появляются в сигнале. При правильной нагрузке (например, индуктивно-емкостной фильтр плюс нагрузочный резистор), происходят две вещи. Во-первых, уровень смещения на выходе ограничивается t Среднее выходное напряжение равно напряжению питания. Вот почему настроенный режим иногда называют кламмером. Это восстанавливает форму сигнала до его правильной формы, несмотря на то, что усилитель имеет только однополярный источник питания. Это напрямую связано со вторым явлением: форма сигнала на центральной частоте становится менее искаженной. Остаточное искажение зависит от полосы настроенной нагрузки, при этом центральная частота испытывает очень небольшие искажения, но затухание тем больше, чем дальше от настроенной частоты поступает сигнал.
Настроенная схема резонирует на одной частоте, фиксированной несущей частоте, поэтому нежелательные частоты подавляются, а желаемый полный сигнал (синусоидальная волна) извлекается настроенной нагрузкой. Полоса пропускания сигнала усилителя ограничена добротностью настроенной схемы, но это не является серьезным ограничением. Любые остаточные гармоники можно удалить с помощью дополнительного фильтра.
В практических усилителях класса C неизменно используется настроенная нагрузка. В одной из распространенных схем резистор, показанный в приведенной выше схеме, заменен параллельно настроенной схемой, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора, включенных параллельно, компоненты которых выбраны так, чтобы резонировать на частоте входного сигнала. Мощность может быть подключена к нагрузке с помощью трансформатора с вторичной обмоткой, намотанной на индуктор. Среднее напряжение на коллекторе тогда равно напряжению питания, а напряжение сигнала, появляющееся в настроенной цепи, изменяется от почти нуля до почти удвоенного напряжения питания во время цикла RF. Входная цепь смещена так, что активный элемент (например, транзистор) проводит только часть РЧ цикла, обычно одну треть (120 градусов) или меньше.
Активный элемент проводит только пока напряжение коллектора проходит через минимум. Таким образом, рассеиваемая мощность в активном устройстве сводится к минимуму, а эффективность повышается. В идеале активный элемент должен пропускать только мгновенный импульс тока, пока напряжение на нем равно нулю: тогда он не рассеивает мощность, и достигается 100% КПД. Однако практические устройства имеют ограничение по пиковому току, который они могут пропускать, и поэтому импульс должен быть расширен примерно до 120 градусов, чтобы получить разумную мощность, и тогда эффективность составит 60–70%.
Блок-схема основного переключающего усилителя или усилителя ШИМ (класс D). 
Boss Audio моноусилитель класса D с фильтром нижних частот для питания сабвуферы усилители класса D используют некоторую форму широтно-импульсной модуляции для управления устройствами вывода. Угол проводимости каждого устройства больше не связан напрямую с входным сигналом, а зависит от ширины импульса.
В усилителе класса D активные устройства (транзисторы) работают как электронные переключатели вместо устройств с линейным усилением; они либо включены, либо выключены. Аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов, который представляет сигнал посредством широтно-импульсной модуляции, модуляции плотности импульсов, дельта-сигма-модуляции или связанных модуляции перед применением к усилителю. Среднее по времени значение мощности импульсов прямо пропорционально аналоговому сигналу, поэтому после усиления сигнал может быть преобразован обратно в аналоговый сигнал с помощью пассивного фильтра нижних частот. Назначение выходного фильтра - сгладить поток импульсов до аналогового сигнала, удаляя высокочастотные спектральные компоненты импульсов. Частота выходных импульсов обычно в десять или более раз превышает наивысшую частоту входного сигнала для усиления, так что фильтр может адекватно уменьшать нежелательные гармоники и точно воспроизводить вход.
Основное преимущество класса -D усилитель энергоэффективности. Поскольку выходные импульсы имеют фиксированную амплитуду, переключающие элементы (обычно MOSFET, но использовались электронные лампы и одно время биполярные транзисторы ) либо полностью включаются, либо полностью выключаются., а не в линейном режиме. МОП-транзистор работает с наименьшим сопротивлением, когда он полностью включен, и, таким образом (за исключением полного выключения), имеет наименьшее рассеивание мощности в этом состоянии. По сравнению с эквивалентным устройством класса AB, более низкие потери усилителя класса D позволяют использовать меньший радиатор для полевых МОП-транзисторов, а также уменьшают потребляемую входную мощность, обеспечивая меньшую мощность дизайн питания. Поэтому усилители класса D обычно меньше, чем эквивалентные усилители класса AB.
Еще одно преимущество усилителя класса D заключается в том, что он может работать от источника цифрового сигнала, не требуя, чтобы цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) сначала преобразовал сигнал в аналоговую форму.. Если источник сигнала находится в цифровой форме, например, в цифровом медиаплеере или компьютерной звуковой карте, цифровая схема может преобразовывать двоичный цифровой сигнал непосредственно в импульсный. сигнал с широтной модуляцией, который подается на усилитель, что значительно упрощает схему.
Усилители класса D широко используются для управления двигателями, но теперь они также используются в качестве усилителей мощности с дополнительной схемой, которая преобразует аналоговый сигнал в гораздо более высокочастотный сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Импульсные источники питания даже были преобразованы в грубые усилители класса D (хотя обычно они воспроизводят только низкие частоты с приемлемой точностью).
На рынке появились высококачественные усилители мощности звука класса D. Считается, что эти конструкции могут соперничать с традиционными усилителями AB по качеству. Одним из первых применений усилителей класса D были мощные сабвуферные усилители в автомобилях. Поскольку сабвуферы обычно ограничены полосой пропускания не выше 150 Гц, скорость переключения для усилителя не должна быть такой же высокой, как для полнодиапазонного усилителя, что позволяет использовать более простые конструкции. Усилители класса D для сабвуферов относительно недороги по сравнению с усилителями класса AB.
Буква D, используемая для обозначения этого класса усилителя, является просто следующей буквой после C и, хотя иногда используется как таковая, не означает цифровой. Усилители класса D и класса E иногда ошибочно называют «цифровыми», потому что форма выходного сигнала внешне напоминает последовательность цифровых символов, но усилитель класса D просто преобразует входной сигнал в непрерывную ширину импульса. модулированный аналоговый сигнал. (Цифровой сигнал будет с импульсной кодовой модуляцией.)
Другие классы усилителей в основном являются вариациями предыдущих классов. Например, усилители класса G и H маркируются изменением шин питания (дискретными шагами или непрерывно, соответственно) после входного сигнала. Потери тепла на выходных устройствах можно уменьшить, поскольку избыточное напряжение сведено к минимуму. Сам усилитель, который питается этими рельсами, может быть любого класса. Эти виды усилителей более сложны и в основном используются для специализированных приложений, например, для очень мощных устройств. Кроме того, усилители классов E и F обычно описываются в литературе для радиочастотных приложений, где важна эффективность традиционных классов, но некоторые аспекты существенно отклоняются от своих идеальных значений. Эти классы используют гармоническую настройку своих выходных сетей для достижения более высокой эффективности и могут считаться подмножеством класса C из-за их характеристик угла проводимости.
Усилитель класса E - это высокоэффективный настраиваемый импульсный усилитель мощности, используемый на радиочастотах. В нем используется однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть между переключателем и нагрузкой. Схема обеспечивает высокий КПД за счет работы переключающего элемента только в точках с нулевым током (включение - выключение) или нулевым напряжением (выключение - включение), что минимизирует потери мощности в переключателе, даже если время переключения устройств велико по сравнению
Усилитель класса E, как часто упоминается, впервые был описан в 1975 году. Однако полное описание работы класса E можно найти в докторской диссертации 1964 года Джеральда Д. Юинг. Интересно, что аналитические уравнения проектирования стали известны только недавно.
В двухтактных усилителях и в КМОП четные гармоники обоих транзисторов просто компенсируются. Эксперимент показывает, что эти усилители могут генерировать прямоугольную волну. Теоретически прямоугольные волны состоят только из нечетных гармоник. В усилителе класса D выходной фильтр блокирует все гармоники; т.е. гармоники видят открытую нагрузку. Таким образом, даже небольших токов в гармониках достаточно для генерации прямоугольной волны напряжения. Ток синфазен с напряжением, подаваемым на фильтр, но напряжение на транзисторах не совпадает по фазе. Следовательно, существует минимальное перекрытие между током через транзисторы и напряжением на транзисторах. Чем острее края, тем меньше нахлест.
В то время как в классе D транзисторы и нагрузка существуют как два отдельных модуля, класс F допускает недостатки, такие как паразитные характеристики транзистора, и пытается оптимизировать глобальную систему, чтобы иметь высокий импеданс на гармониках. Конечно, на транзисторе должно быть конечное напряжение, чтобы протолкнуть ток через сопротивление в открытом состоянии. Поскольку объединенный ток через оба транзистора в основном находится в первой гармонике, он выглядит как синусоида. Это означает, что в середине квадрата должен протекать максимум тока, поэтому может иметь смысл сделать провал в квадрате или, другими словами, допустить некоторое превышение прямоугольной волны напряжения. Сеть с нагрузкой класса F по определению должна передавать ниже частоты среза и отражать выше.
Любая частота, лежащая ниже границы среза и имеющая вторую гармонику выше среза, может быть усилена, то есть октавной шириной полосы. С другой стороны, индуктивно-емкостная последовательная цепь с большой индуктивностью и настраиваемой емкостью может быть проще в реализации. Уменьшая рабочий цикл ниже 0,5, можно модулировать выходную амплитуду. Форма прямоугольного сигнала напряжения ухудшается, но любой перегрев компенсируется снижением общей потребляемой мощности. Любое несоответствие нагрузки за фильтром может воздействовать только на форму волны тока первой гармоники, очевидно, что имеет смысл только чисто резистивная нагрузка, тогда чем ниже сопротивление, тем выше ток.
Класс F может управляться синусоидальной или прямоугольной волной, для синусоиды вход может быть настроен индуктором для увеличения усиления. Если класс F реализован с одним транзистором, фильтр будет сложно закоротить четные гармоники. Во всех предыдущих проектах использовались острые края, чтобы минимизировать перекрытие.
Идеальная модуляция напряжения шины класса G 
Идеальная модуляция напряжения шины класса H 
Модуляция напряжения шины 
Базовая схема конфигурации класса H Существует множество конструкций усилителей, которые улучшают выходные каскады класса AB более эффективными методами для достижения большей эффективности с низким уровнем искажений. Эти конструкции распространены в больших звуковых усилителях, поскольку радиаторы и силовые трансформаторы были бы чрезмерно большими (и дорогими) без повышения эффективности. Термины «класс G» и «класс H» используются взаимозаменяемо для обозначения различных конструкций, различающихся по определению от одного производителя или бумаги к другому.
Усилители класса G (в которых используется «переключение шин» для снижения энергопотребления и повышения эффективности) более эффективны, чем усилители класса AB. Эти усилители имеют несколько шин питания с разными напряжениями и переключаются между ними, когда выходной сигнал приближается к каждому уровню. Таким образом, усилитель увеличивает КПД за счет уменьшения потерь мощности на выходных транзисторах. Усилители класса G более эффективны, чем класс AB, но менее эффективны по сравнению с классом D, однако они не имеют эффектов электромагнитных помех класса D.
усилители класса H создают бесступенчатая (аналоговая) шина питания. Иногда их называют рельсовыми трекерами. Это достигается за счет модуляции шин питания так, чтобы они были всего на несколько вольт больше, чем выходной сигнал, «отслеживающий» его в любой момент времени. Выходной каскад все время работает с максимальной эффективностью. Это происходит из-за способности схемы удерживать рельсовые транзисторы (T2 и T4) в отключенном состоянии до тех пор, пока пик музыкального напряжения не достигнет достаточной величины, чтобы потребовать дополнительное напряжение от источников + и - 80 В. См. Схематический рисунок. Усилитель класса H можно рассматривать как два последовательно соединенных усилителя. В схематическом примере, показанном на рисунке, усилители на шине + - 40 В могут производить около 100 Вт непрерывно при нагрузке 8 Ом. Если музыкальный сигнал vout работает ниже 40 вольт, усилитель имеет только потери, связанные с усилителем мощностью 100 Вт. Это связано с тем, что верхние устройства класса H T2 и T4 используются только тогда, когда выходной музыкальный сигнал составляет от 100 до 400 Вт. Ключ к пониманию этой эффективности без искажения реальных цифр заключается в том, что у нас есть усилитель мощностью 400 Вт, но с эффективностью усилителя на 100 Вт. Это связано с тем, что музыкальные волновые формы содержат длительные периоды менее 100 Вт и содержат только короткие импульсы мощностью до 400 Вт мгновенно; Другими словами, потери на 400 Вт - кратковременные. Если бы этот пример был нарисован как класс AB с только источниками питания 80 В вместо источников питания 40 В, транзисторы T1 и T3 должны были бы иметь проводимость на всем протяжении сигнала от 0 до 80 В с соответствующими потерями VI на всем протяжении период волны vout - не только кратковременные всплески высокой энергии. Для достижения этого управления отслеживанием рельсов T2 и T4 действуют как усилители тока, каждый последовательно со своими низковольтными аналогами T1 и T3. Назначение T2 и T3 - обеспечить возможность обратного смещения диода D2, когда vout находится на положительном пике (выше 39,3 В), и обратного смещения D4, когда vout находится на отрицательном пике менее -39,3 В. Во время музыкального пика vout от 100 до 400 Вт, источники питания 40 В потребляют ноль ампер, поскольку весь ток идет от шин 80 В. Однако эта цифра слишком упрощена, так как она вообще не будет управлять транзисторами T2 T4. Это связано с тем, что диоды D1 и D3, которые предназначены для обеспечения пути для выхода vout обратно в верхние устройства, всегда имеют обратное смещение. Они оттянуты назад. Вместо этих диодов в реальной конструкции потребуется усилитель напряжения с коэффициентом усиления, который использует Vout в качестве входа. Есть еще одна причина этого требования к усилению между vout и базой T2 в реальной конструкции класса H, а именно, чтобы гарантировать, что сигнал, подаваемый на T2, всегда «опережает» сигнал Vout, поэтому он никогда не может «догнать» рельсовый трекер. Усилитель рельсового трекера может иметь скорость нарастания 50 В / мкс, в то время как усилитель AB может иметь скорость нарастания только 30 В / мкс, чтобы гарантировать это.
