Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Плюсы

Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.

Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.

Минусы

Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.

Особенности

Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.

В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.

Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.

Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.

Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.

Практика

Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.

Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.

С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Выводы

Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.

Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.

Продолжение следует…

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Выбираем звукосниматель для проигрывателя винила

• Что лучше для звука — линейные или импульсные блоки питания? [видео]

• Музыка из бумаги и картона: краткая история вариофона и «рисованного звука»

A, B, AB, H, D?

Когда мы тестируем в нашей акустической лаборатории усилители для автомобильных аудиосистем, то частенько упоминаем в материалах их классы, мол, этот работает в экономичном классе D, а тот чисто для аудиофилов — в классе Real АВ.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru И тут мне недавно задали вопрос: а что это за классы такие вообще? Ну что ж, разберемся.
Выбирая в магазине подходящий усилитель для аудиосистемы, обратите внимание на то, в каком классе они работают. Класс АВ можно назвать традиционным, в нем работает большинство усилителей. В последнее время все чаще встречаются усилки класса D, которые называют цифровыми, хотя это не совсем правильно, и скоро вы поймете почему. Что предпочесть? Какой лучше? Как обычно, однозначного ответа нет, поскольку у каждого есть свои преимущества и недостатки. Но для начала пару слов о том, что и как там вообще происходит внутри.

КАЧНЕМ ТОКУ
Основные элементы практически любого усилителя — это транзисторы. Не будем вдаваться в суть построения различных схем, тем более, что их на самом деле далеко не одна, а выделим основное — сам принцип работы. Для этого на время представим усилитель в виде, ну, скажем… водопровода. Неожиданно, правда? Тем не менее, аналогия налицо, и вы сейчас в этом убедитесь. Во-первых, в усилителе есть блок питания, преобразующий однополярное напряжение бортовой сети („плюс» и „масса») в двухполярное („плюс»,„масса» и „минус»). Мы уже говорили, зачем он необходим, когда рассматривали, как измеряются мощности усилителей. Так вот, в такой системе двухполярный блок питания будет представлять собой не что иное, как два насоса (насос со стороны „+» будет как бы накачивающим, а насос со стороны „-» как бы откачивающим ток относительно массы). Наша задача — пустить эти потоки через нагрузку усилителя (нагрузка — это как раз подключенный к усилителю динамик). Для этого, понятное дело, нужны краны, которые будут управлять этими потоками.
Вот как раз роль этих кранов и играют транзисторы. Они могут открываться, пропуская через себя большой поток, или закрываться, уменьшая его. „Краны» эти по отношению друг к другу обратные: когда один начнет закрываться, другой будет открываться. Соответственно, поток от „насосов» будет направляться через нагрузку то в одну, то в другую сторону.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА А. В, АВ, Н
Но на самом деле просто открывать и закрывать транзистор еще мало, ведь нам нужно, чтобы сигнал усиливался без искажений, то есть, чтобы выходной сигнал по форме в точности повторял входной. Значит нам необходимо, чтобы транзисторы (эти самые краны) открывались и закрывались по строго линейному закону, строго пропорционально входному сигналу.
Но вот незадача, на самом деле транзистор может так работать не во всем своем диапазоне. Например, если входной сигнал слишком маленький, то транзистор на него почти не реагирует, зато при достижении определенного уровня резко открывается. Какая уж тут линейность? А вот дальше этого момента реагирует на изменение управляющего сигнала вполне адекватно, почти что линейно. Значит, для того, чтобы искажений было как можно меньше, транзистор придется все время держать в приоткрытом состоянии. Это называется задать смещение транзистора или выбрать его рабочую точку.
В этом случае говорят, что усилитель работает в классе А. Такой класс усилителей по праву считается аудиофильским, поскольку обеспечивает очень маленькие искажения сигнала. Но самый главный его недостаток — высокий ток покоя. Ток покоя — это ток, который будет течь через транзисторы, даже когда входного сигнала нет (ведь нам же пришлось задать транзисторам некоторое смещение). Из-за этого они довольно сильно нагреваются, и значительная часть энергии от блока питания уходит в тепло, а КПД усилителя составляет в лучшем случае всего лишь около 20-30%.

Но поскольку автомобильные усилители на самом деле делаются не на одном транзисторе, а строятся по так называемым двухтактным схемам, т.е. с 2 транзисторами, то возникает одна заманчивая идея. Что, если не держать их постоянно приоткрытыми? Пусть они оба при отсутствии входного сигнала будут закрытыми? Поскольку транзисторы по отношению друг к другу обратные, то получится, что один из них будет открываться, когда сигнал положительный, а другой — когда сигнал отрицательный.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Иными словами, получится, что первый будет усиливать положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную, на нагрузке же эти половинки благополучно сложатся. Когда усилитель работает в таком режиме, то говорят, что это класс В.
Решение, несомненно, хорошее, ведь через транзисторы в такой схеме не течет бесполезный ток, когда сигнала нет, а значит и КПД усилителя получается гораздо выше. Однако все бы замечательно, но дело в том, что какие бы мы хорошие и качественные транзисторы не поставили, у них все равно будет присутствовать нелинейность в самом начале их открытия. А это значит, что в тот момент, когда один транзистор только закрывается, а второй только открывается, неизбежно появится искажение в виде ступеньки.

Когда уровень сигнала высокий, эта ступенька не выглядит очень уж большой, и если особо не придираться, то на нее еще можно и не обращать особого внимания. А вот на небольших уровнях сигнала она будет уже слишком заметна. Поэтому класс В в чистом виде в автомобильных усилителях не используется из-за больших искажений.
Так какой же режим лучше всего выбрать для усилителя? В классе А — маленькие искажения, но и КПД низкий, львиная доля мощности блока питания уйдет в тепло (вот почему усилители, работающие в этом классе, греются как утюги). Класс В обеспечит хороший КПД, но искажения будут такими, что о высоком качестве воспроизведения особо говорить не придется. Компромиссное решение — это смешанный режим, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение, гораздо меньшее, чем в чистом классе А, но уже достаточное для того, чтобы избежать заметной ступеньки в выходном сигнале. При этом так и говорят — усилитель работает в классе АВ.
Выбирая рабочую точку транзисторов (ну или иными словами, выбирая насколько транзисторы будут приоткрыты в режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала), можно сделать усилитель класса АВ ближе к классу А или к В. Например, в первом случае наиболее заметен тот эффект, что до достижения определенной мощности усилитель работает в классе А, а на высоких уровнях как бы автоматически переходит в класс АВ — решение, довольно часто применяемое в усилителях высокого класса (иногда в описаниях к таким усилителям можно встретить обозначение их класса как Real АВ).Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru
Справедливости ради, нужно отметить, что классы А, В и АВ не единственные. Есть и другие, которые можно назвать производными от них, они представляют собой попытки совместить экономичность АВ-класса с качеством А-класса. Например, класс А+ — симбиоз усилителей В-класса и А-класса (выход первого является средней точкой для второго). Или класс Super A (Non Switching) — в них специальная схема не дает транзисторам полностью запираться(ведь основные искажения, как вы уже знаете, как раз из-за нелинейности в самый начальный момент открытия транзисторов-„кранов»). А усилители класса G вообще представляют собой два каскада усиления, работающих каждый от своего источника питания разного напряжения (на небольшой мощности работает каскад, питающийся от источника с небольшим напряжением, а на пиках к нему подключается второй, питающийся от источника с большим напряжением). Впрочем, все это довольно сложные схемы, которые и в домашней то технике применяются все реже, а уж в автомобильных усилителях это, мягко говоря, и вовсе экзотика.
А вот усилители класса Н можно с уверенностью назвать чисто автомобильными. В этом классе делают усилители, встроенные в головное устройство. Понятное дело, в них нет никаких сложных блоков питания, преобразующих бортовые 12 Вольт в двухполярное питание с большим напряжением (впрочем, встроенный в ГУ усилитель все равно питается отдвухполярного напряжения, просто за среднюю точку для него принимается Uпит/2, то есть, условно говоря, 6 Вольт), поэтому мощность таких усилителей невелика. Класс Н — это попытка в какой-то мере нивелировать основной недостаток маломощных усилителей — зажатость звучания. Так как же он работает?
На самом деле, усилитель класса Н — это практически то же самое, что и обычный усилитель класса АВ. Только в нем есть так называемая схема удвоения напряжения питания, основной элемент которой — конденсатор, накапливающий заряд, когда входной сигнал не очень большой. Ну а поскольку реальный музыкальный сигнал — это вам не синус, на котором по стандарту измеряется мощность, то для него характерны кратковременные пики.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Так вот, как раз в моменты таких пиков этот самый конденсатор специальной схемой добавляется последовательно к питающему напряжению, и оно как бы кратковременно удваивается, помогая усилителю воспроизвести эти пики с меньшими искажениями. Это, на самом деле, не особо сказывается на мощности усилителя, измеренной стандартно на синусоидальном сигнале, но на средних и высоких частотах звучание субъективно становится лучше.

КСТАТИ
Класс усилителя в первом приближении можно распознать по характеру зависимости КНИ от мощности. Смотрите, на малых уровнях сигнала класс А обеспечивает самые маленькие искажения. А вот класс В за счет „ступеньки» в сигнале на малых уровнях непременно будет иметь повышенные искажения (так называемая проблема первого Ватта). Класс АВ где-то между ними.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА D
Классы А, В, АВ и прочие их производные — это все традиционные классы аналоговых усилителей, принципы построения у них схожие, разве что режимы работы транзисторов выбираются разные, да добавляются кое-какие примочки. Но есть и усилители, которые строятся изначально несколько иначе. Это импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится). Давайте в общих чертах разберем, как работает усилитель D-класса.
Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается.
Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной.

Основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе).Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).
В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса


Чем отличаются усилители D-класса от усилителей АВ-класса?



Все наверняка слышали о том, что усилители могут работать в классах А, АВ или, скажем, в классе D. Но, как показывает практика, далеко не все знают о том, что кроется под этими обозначениями. Сейчас мы вам расскажем, что это такое, и постараемся сделать выводы – какой усилитель и в каких случаях подойдёт вашей аудиосистеме лучше всего.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru



Как работают усилители?



Для начала нужно понимать, как вообще работает любой усилитель. Возможно, вы удивитесь, но на самом деле он… ничего не усиливает. Принцип его работы больше похож на работу обычного водопроводного крана – вы крутите ручку, и вода льётся то сильнее, то слабее, то не льётся совсем.



В усилителях всё происходит точно так же – ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Роль «крана» выполняют выходные транзисторы, а управляет их открытием и закрытием сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства. И вот то, каким образом работает этот «кран» (выходные транзисторы), как раз и определяет класс усилителя.



Как работают усилители АВ-класса?



Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.



Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.



По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.



На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.



Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).



В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.



Как работают усилители D-класса



Основной принцип работы D-класса абсолютно тот же, что и у АВ-класса – у таких усилителей тоже есть выходные транзисторы, которые умеют открываться или закрываться, регулируя ток через подключенные к ним динамики. Только управляет их открытием сигнал, который своей формой очень далёк от входного.



Сигнал, который пришёл на усилитель от головного устройства, непрерывен, но его амплитуда постоянно меняется. На входе усилителя D-класса он преобразуется в импульсный – амплитуда постоянная, но зато сигнал прерывается. Длительности импульсов и пауз между ними меняются пропорционально входному сигналу. Например, выше амплитуда входного сигнала – импульсы длиннее, ниже амплитуда – импульсы короче.


Именно такой сигнал и подаётся на выходные транзисторы. И очевидно, что в этом случае они будут работать совершенно по-другому – либо полностью открываться, либо полностью закрываться, без промежуточных вариантов. Это означает, что потери на ненужный нагрев будут минимальными, а значит, КПД усилителя D-класса может вплотную приближаться к идеалу в 100%.


Разумеется, подавать такой прерывающийся сигнал сразу же на акустические системы ещё рано, перед этим его нужно «вернуть» в обычную форму.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Это делается с помощью специальных элементов – выходного дросселя (катушки индуктивности) и конденсатора. После них на выходе и получается усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной. Вот он и идёт на динамики.



Главное достоинство усилителей D-класса – высокий КПД, а значит, и более экономное расходование энергии блока питания. При прочих равных усилители D-класса мощнее и компактнее, чем традиционные усилители.



Какой усилитель лучше – D-класса или АВ-класса?



Долгое время считалось, что для подключения акустических систем нужно выбирать усилители АВ-класса, потому что им не нужны большие мощности, и у них меньше искажений. Это было связано с тем, что в усилителях D-класса входной сигнал обычно преобразовывался в импульсный с невысокой частотой, и в итоге они хорошо работали лишь в сабвуферном диапазоне.



Сегодня технологии шагнули далеко вперёд, появились мощные быстродействующие транзисторы, которые умеют переключаться (открываться и закрываться) практически мгновенно. На рынке появилось немало широкополосных усилителей D-класса. Широкополосные – это такие усилители D-класса, которые рассчитаны на использование не только с сабвуферами, но и с акустическими системами. Для тех случаев, когда большая мощность не нужна, такие усилители можно сделать чрезвычайно компактными.



Как выбрать усилитель?



Если позволяет место, для подключения акустических систем вы можете смело выбрать усилитель АВ-класса. Схемотехника таких усилителей за долгие годы хорошо отработана, они имеют высокое качество звучания и, в случае неисправности, их можно легко отремонтировать в ближайшей мастерской.



Когда место для инсталляции усилителя сильно ограничено, обратите внимание на широкополосные модели D-класса.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru При той же мощности, что и у моделей АВ-класса они намного компактнее, в большинстве своём меньше греются, и их можно установить даже скрытно, с минимальными вмешательствами в штатные элементы автомобиля.



Для подключения сабвуферов больше преимуществ имеют усилители D-класса. Бас – это самый «энергозатратный» частотный диапазон, а потому КПД усилителя может иметь решающее значение. А этом у D-класса конкурентов нет.

Усилители. Классификация усилителей

Усилители в каталоге

Классификация усилителей

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

  1. Аналоговые, класс А
  2. Аналоговые, класс В
  3. Аналоговые, класс АВ
  4. Аналоговые, класс H
  5. Импульсные и цифровые, класс D

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».

Класс А

Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

ХарактеристикиPass Labs XA 200.5Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность200 Вт25Вт
Коэффициент гармонических искажений1% (400Вт)не указывается
Диапазон воспроизводимых частот1.5 – 100000 Гц20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность700 Вт500 Вт
Масса81 кг25 кг

Представитель усилителей класса А

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В — это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.

Класс АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.

Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.

Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:
ХарактеристикиABAB
Теоретический КПД50%78%Зависит от режима
Реальный КПД15-30%50-60%40-50%
Нелинейные искажениямалыеВысокиесредние)
Потребляемая мощностьпостояннаязависит от выходнойзависит от выходной
Термостабильностьнизкаявысокаясредняя

Представитель усилителей класса АВ

Класс H

Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.

Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.

Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя. КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.

Класс D

Строго говоря, класс D — это не только схема построения или режим работы выходного каскада — это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.

Блок схема цифрового усилителя

Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM — Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.

В отличие от аналоговых усилителей, 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.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. 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.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток — зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах. Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.

Такие усилители применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.

Представитель усилителей класса D

А, B, AB, D, G, H / Хабр

Здравствуй, Хабр!

В данной статье мы рассмотрим звуковые усилители классов: А, B, AB, D, G, H
Сначала рассмотрим классы по положению рабочей точки. Каждый транзистор имеет выходную характеристику, которую можно найти в DataSheet.

Пример характеристики на рисунке ниже.

Выходная характеристика транзистора.

Именно с помощью данной характеристики мы сможем выбрать класс усилителя по положению точки покоя.

Выходная характеристика показывает какой ток нам нужно задать базе транзистора, для того чтобы получить определённый класс усилителя, также мы узнаем Iк.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Класс А

Класс А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал.
Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Класс B

Элемент, работающий в данном классе способен усиливать только одну полуволну, положительную либо отрицательную.
Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.
Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.

Класс D

Принцип действия данного класа. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).
Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.
Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Усилители класса G и H

Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).

Усилитель класса H
Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Спасибо за внимание.

Классы усилителей мощности — invask.ru

Классы усилителей мощности

В зависимости от режима работы выходного каскада различают несколько классов усилителей мощности.

Класс A

Класс A — линейный, усиление происходит на линейном участке ВАХ (вольт-амперной характеристики), отсутствие переходных искажений, но низкий КПД (10-20%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева.

Класс В

Класс В — лампы или транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. усиливают только свою полуволну сигнала в линейном режиме. Это как бы 2 отдельных класса А (для каждой полуволны свой). Высокая экономичность, но возрастают переходные искажения за счёт неидеальности «стыковки» верхней и нижней полуволн сигнала.

Класс С

Этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке — резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока.

Класс AB

Класс AB — компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала («стыковка» ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Класс D

 класс D — это особый класс усилителей мощности на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства — очень высокая экономичность, недостатки – высокочастотные  импульсные помехи, которые необходимо подавлять.

Класс Е

Класс Е — если усилители класса D работают на основе ШИМ, то класс E — в ключевом режиме. В основном используется опять же в ВЧ аппаратуре.

Класс G

Класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности.

Класс Н

Класс Н — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то вроде ключевого усилителя класса D.

Класс T

Класс T — похож на класс D, но с использованием цифровой коррекции сигнала.

Усилители мощности класса AB и класса C

Рассмотренный выше усилитель класса A и класса B имеет несколько ограничений. Давайте теперь попробуем объединить эти два, чтобы получить новую схему, которая имела бы все преимущества как усилителей класса A, так и класса B без их неэффективности. Перед этим давайте также рассмотрим еще одну важную проблему, называемую перекрёстным искажением , с которым сталкивается выход класса B.

Перекрёстное искажение

В двухтактной конфигурации два идентичных транзистора входят в проводимость, один за другим, и получаемый выходной сигнал будет комбинацией обоих.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Когда сигнал изменяется или переходит от одного транзистора к другому в точке нулевого напряжения, он вызывает искажения формы выходной волны. Для транзистора, чтобы провести, соединение эмиттера базы должно пересечь 0.7v, напряжение отключения. Время, необходимое транзистору для включения из состояния ВЫКЛ или для выключения из состояния ВКЛ, называется переходным периодом .

В точке нулевого напряжения переходный период переключения транзисторов с одного на другой оказывает свое влияние, что приводит к случаям, когда оба транзистора отключаются одновременно. Такие экземпляры можно назвать Плоским пятном или Мертвой зоной на форме выходной волны.

На приведенном выше рисунке четко показано перекрестное искажение, характерное для выходного сигнала. Это главный недостаток. Этот эффект перекрестного искажения также уменьшает общее пиковое значение выходного сигнала, что, в свою очередь, уменьшает максимальную выходную мощность. Это может быть более ясно понято через нелинейную характеристику формы волны, как показано ниже.

Понятно, что это перекрестное искажение менее выражено для больших входных сигналов, поскольку оно вызывает серьезные помехи для малых входных сигналов. Это перекрёстное искажение может быть устранено, если проводимость усилителя составляет более половины полупериода, так что оба транзистора не будут отключены одновременно.

Эта идея приводит к изобретению усилителя класса AB, который представляет собой комбинацию усилителей класса A и класса B, как описано ниже.

Усилитель мощности класса AB

Как следует из названия, класс AB является комбинацией усилителей класса A и класса B. Поскольку у класса A есть проблема низкой эффективности, а у класса B — проблема искажения, этот класс AB появился, чтобы устранить эти две проблемы, используя преимущества обоих классов.

Перекрестное искажение — это проблема, которая возникает, когда оба транзистора выключены в один и тот же момент в течение переходного периода.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru Чтобы устранить это, условие должно быть выбрано для более чем половины цикла. Следовательно, другой транзистор попадает в проводимость до того, как рабочий транзистор переключается в отключенное состояние. Это достигается только при использовании конфигурации класса AB, как показано на следующей принципиальной схеме.

Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше, чем половину цикла проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Угол проводимости усилителя класса AB составляет от 180 o до 360 o в зависимости от выбранной рабочей точки. Это понятно с помощью рисунка ниже.

Небольшое напряжение смещения, заданное с использованием диодов D 1 и D 2 , как показано на рисунке выше, помогает рабочей точке быть выше точки среза. Следовательно, выходная форма волны класса AB получается, как показано на рисунке выше. Перекрестное искажение, создаваемое классом B, преодолевается этим классом AB, а также неэффективность классов A и B не влияет на схему.

Таким образом, класс AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, с эффективностью, достигающей от 50% до 60%. Усилители классов A, B и AB называются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходного сигнала линейно связаны с амплитудой и фазой входного сигнала.

Усилитель мощности класса C

Когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности известен как усилитель мощности класса C.

Эффективность усилителя класса C высока, а линейность низкая. Угол проводимости для класса С составляет менее 180 o . Обычно оно составляет около 90 o , что означает, что транзистор остается бездействующим в течение более половины входного сигнала. Таким образом, выходной ток будет подаваться в течение меньшего времени по сравнению с приложением входного сигнала.Усилитель класса ав: Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

На следующем рисунке показана рабочая точка и выход усилителя класса C.

Этот вид смещения дает значительно улучшенную эффективность усилителя примерно на 80%, но вносит сильные искажения в выходной сигнал. Используя усилитель класса C, импульсы, генерируемые на его выходе, могут быть преобразованы в синусоидальную волну определенной частоты с помощью LC-цепей в его цепи коллектора.

Усилители мощности класса AB

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Общие сведения об усилителях класса AB.
  • • Дополнительная операция.
  • • Стабилизация смещения постоянного тока.
  • • Температурная стабилизация.
  • • Регулировка средней точки.
  • • регулировка кроссовера.
  • • Отрицательная обратная связь переменного тока.
  • • Самозагрузка.
  • Поймите необходимость усилителей Quasi AB.

Рис. 5.5.1 Смещение класса AB

Усилители мощности класса AB

Двухтактная выходная схема класса AB немного менее эффективна, чем класс B, потому что в ней используется небольшой протекающий ток покоя для смещения транзисторов чуть выше точки отсечки, как показано на рис.5.5.1, но перекрестное искажение, создаваемое нелинейным участком кривой входной характеристики транзистора, близким к отсечке в классе B, преодолевается. В классе AB каждый из двухтактных транзисторов проводит немного больше, чем полупериод проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

По мере того, как каждый цикл формы волны пересекает нулевое напряжение, оба транзистора на мгновение становятся проводящими, и изгиб характеристики каждого из них компенсируется.

Еще одно преимущество класса AB состоит в том, что использование дополнительной согласованной пары транзисторов в режиме эмиттерного повторителя также дает более дешевую конструкцию. Схема фазоделителя не требуется, поскольку противоположная полярность пары NPN и PNP означает, что каждый транзистор будет проводить на противоположных полупериодах сигнала. Низкое выходное сопротивление, обеспечиваемое подключением эмиттерного повторителя, также устраняет необходимость в выходном трансформаторе согласования импеданса.

Согласование коэффициента усиления по току и температурных характеристик комплементарных (NPN / PNP) транзисторов, однако, сложнее, чем с одним типом транзистора, который используется в работе класса B.Также при отсутствии эмиттерных резисторов из-за использования режима эмиттерного повторителя труднее поддерживать температурную стабильность. Следовательно, класс AB может иметь большую тенденцию к тепловому разгоне.

Рис. 5.5.2 Применение смещения класса AB

На рис. 5.5.2 показан метод приложения смещения класса AB к комплементарной паре транзисторов. Два резистора R1 и R2 подают напряжение на базы выходного транзистора, так что база Tr1 (NPN) примерно на 0,6 В положительнее, чем ее эмиттер, а база Tr2 (PNP) равна примерно 0.На 6V больше отрицательного, чем у его эмиттера, который составляет половину V CC .

Чтобы преодолеть перекрестное искажение, необходимо точно установить смещение на базе каждого транзистора, чтобы транзисторы начали проводить, как только начнется их соответствующий полупериод, поэтому обычно R2 можно настраивать.

Дополнительный двухтактный выходной каскад класса AB

Выходная схема, показанная на рис. 5.5.3, включает многие функции и методы, описанные в модулях усилителя 1–5.Он показывает выходной каскад класса AB (Tr2 и Tr3) и аудиодрайвер класса A (усилитель напряжения) Trl. Схема имеет отрицательную обратную связь по переменному току для уменьшения искажений и шума и расширения полосы пропускания, а также отрицательную обратную связь по постоянному току для стабилизации смещения постоянного тока. Также есть положительная обратная связь, применяемая для увеличения входного импеданса и повышения эффективности. Другие важные особенности включают использование диодов для обеспечения термической стабильности и некоторые регулировки смещения для минимального искажения.

Рис. 5.5.3 Выходной каскад класса AB

Эксплуатация

Управляющий транзистор

Tr1 представляет собой усилитель напряжения класса A, на который подается аудиосигнал переменной амплитуды со входа через регулятор громкости VR1. Смещение для Tr1 обеспечивается через делитель потенциала R2, Vr2 и R3 от соединения эмиттеров Tr2 и Tr3, которые будут составлять половину напряжения питания.

Стабилизация смещения постоянного тока

Смещение для Tr2 и Tr3 обеспечивается током, протекающим через громкоговоритель (который также является выходной нагрузкой для усилителя), R5 и VR3.Это обеспечивает соответствующий базовый ток на Tr2 и Tr3, чтобы эмиттеры Tr2 и Tr3 (средняя точка) составляли половину напряжения питания. Поскольку базовое смещение для Tr1 (через R2, VR2 и R3) берется с эмиттеров Tr2 и Tr3, если напряжение в средней точке увеличивается, смещение на базе Tr1 также увеличивается, вызывая более сильную проводимость Tr1. Следовательно, напряжение коллектора на Tr1 будет падать, что также приведет к падению напряжения на базах Tr2 и Tr3. Поскольку Tr2 — это NPN, а Tr3 — это PNP, это приведет к выключению Tr2 и включению Tr3, уменьшая напряжение в средней точке до тех пор, пока оно не вернется к своему правильному значению, равному половине питания.

Если напряжение в средней точке падает слишком сильно, это приведет к снижению напряжения смещения на Tr1, его выключению и увеличению его напряжения коллектора, а также к базовым напряжениям Tr2 и Tr3. Это действие увеличит проводимость (NPN-транзистор) Tr2 и уменьшит проводимость (PNP-транзистор) Tr3, снова подняв среднюю точку до правильного напряжения.

Температурная компенсация

D1 и D2 — это два кремниевых диода, имеющих такой же потенциал перехода, как Tr2 и Tr3.Они подключаются через переходы база / эмиттер выходных транзисторов для повышения термостабильности. Когда Tr2 и Tr3 нагреваются, их потенциалы перехода база / эмиттер естественным образом падают. Это привело бы к чрезмерному смещению и большему току в транзисторах, что в конечном итоге привело бы к тепловому разгоне. D1 и D2 обычно устанавливаются на тех же радиаторах, что и выходные транзисторы. Следовательно, по мере нагрева Tr2 и Tr3 будут нагреваться D1 и D2.

У диодов тоже падает потенциал перехода, и они начинают проводить.Поскольку напряжение между двумя базами выходных транзисторов установлено VR1 на 1,2 В в холодных условиях, D1 и D2 изначально просто отключены. Однако, если эти потенциалы диодного перехода падают из-за нагрева, они начнут проводить и уменьшаться до напряжения между базами Tr1 и Tr2. Таким образом, это уменьшит смещение на выходных транзисторах и, таким образом, поддержит правильные условия смещения класса AB.

Регулировка средней точки

Важно, чтобы напряжение в средней точке поддерживалось точно на уровне половины питания, чтобы получить максимальный выходной сигнал от пика до пика без ограничения какого-либо пика формы волны.VR2 сделан регулируемым, чтобы можно было точно установить напряжение средней точки. Эта регулировка может потребоваться только после изготовления или замены каких-либо компонентов. При отсутствии сигнала вольтметр, подключенный к средней точке, и VR2 настраивается на половину напряжения питания.

Регулировка кроссовера

VR3 — это «регулятор кроссовера», который регулируется синусоидальным сигналом, подаваемым на вход усилителя и наблюдаемым на осциллографе, подключенном к выходной нагрузке, чтобы обеспечить минимальные искажения кроссовера.VR3 можно отрегулировать либо во время производства, либо после замены компонентов, чтобы разница напряжений между базами Tr2 и Tr3 была такой, что небольшой постоянный ток (покоя) протекал через базы как Tr2, так и Tr3. Таким образом, напряжение на VR3 будет около 0,6 x 2 = 1,2 В.

Поскольку эффекты VR2 и VR3 взаимодействуют друг с другом, регулировки обычно необходимо повторять несколько раз, каждый раз с уменьшением величины регулировки, пока оба не будут правильными, с минимальным напряжением средней точки при половинном питании и искажением кроссовера.

В коммерческом оборудовании правильный метод регулировки VR2 и VR3 обычно приводится в руководстве производителя, и эти инструкции следует точно соблюдать. Регуляторы средней точки и кроссовера являются предустановленными регуляторами, и после регулировки во время производства обычно не подлежат повторной регулировке, за исключением случаев, когда компоненты были заменены.

Отрицательная обратная связь по переменному току

Отрицательная обратная связь по переменному току обеспечивается C2 для увеличения полосы пропускания и особенно для уменьшения искажений.Это важно, поскольку невозможно полностью устранить искажения кроссовера только осторожным смещением.

Начальная загрузка

Tr2 и Tr3 смещены в классе AB, поэтому должны быть смещены непосредственно перед отключением (то есть с 0,6 В между базой и эмиттером). Схема резисторов смещения для этих транзисторов также образует резистивную нагрузку для Tr1. Следовательно, значение R5 и VR3 определяется напряжениями постоянного тока, необходимыми для правильного смещения базы TR2 и Tr3.

Чтобы обеспечить высокий коэффициент усиления в каскаде драйвера Tr1 класса A, нагрузка коллектора должна иметь как можно большее сопротивление; это противоречит требованиям постоянного тока для смещения Tr2 и Tr3.Однако резистор нагрузки коллектора Tr1 фактически должен иметь только высокое сопротивление сигналам переменного тока; Если удастся найти способ придать R5 и VR3 высокий импеданс на звуковых частотах и ​​при этом сохранить соответствующее (гораздо более низкое) сопротивление на постоянном токе, можно увеличить усиление в каскаде драйвера Tr1.

Для достижения этого увеличения усиления, положительная обратная связь по переменному току (самонастройка) обеспечивается C2, который возвращает выходной сигнал переменного тока к вершине R5. Этот сигнал переменного тока находится в фазе с сигналом на базах Tr2 и Tr3, и положительная обратная связь обычно вызывает колебания, но этому препятствует тот факт, что Tr2 и Tr3 работают в режиме эмиттерного повторителя, а коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя меньше. чем 1 (обычно около 0.9).

Рис. 5.5.4 Квазикласс AB

Это означает, что какой бы ни была амплитуда напряжения сигнала на коллекторе Tr1, около 0,9 этого сигнала появляется в верхней части R5, поэтому напряжение переменного тока, развиваемое на VR3 и R5, составляет только одну десятую от сигнала на коллекторе Tr1, следовательно, значение (переменного тока) сопротивления VR3 и R5 оказывается в десять раз выше, чем оно есть на самом деле, что дает увеличение усиления Tr1 в 10 раз без какого-либо изменения сопротивления постоянному току VR3 и R5.

Квазикласс AB

Дополнительные выходные каскады могут эффективно использоваться для усилителей мощности, но по мере увеличения мощности выше нескольких ватт становится все труднее найти транзисторы PNP и NPN с характеристиками, достаточно близкими для обеспечения равного усиления положительных и отрицательных полупериодов. Одним из решений является использование квазикомплементарного выходного каскада, как показано на рис. 5.5.4. В этой схеме комплементарная пара малой мощности (Tr1 и Tr2) используется для управления парой выходных транзисторов NPN высокой мощности (Tr3 и Tr4).

Начало страницы

Какие бывают классы аудиоусилителей?

первоначально опубликовано: 20 апреля 2014 г.

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификации усилителя, вы могли заметить, что это класс усилителя. Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенными классами усилителей, используемыми в настоящее время в домашних аудиосистемах, являются классы A, A / B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами оценки, а описывают топологию усилителя, я.е. как они функционируют на базовом уровне. В то время как каждый класс усилителей имеет свой собственный набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивается конечная производительность) остается прежней: усилить форму волны, отправляемую на него предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере, с минимальными искажениями. . Так что же означает наш алфавитный набор классов усилителей? Продолжайте читать, чтобы узнать, но сначала посмотрите наше недавно добавленное видео-обсуждение на YouTube!

Классы усилителей Обсуждение на YouTube

Мы собираемся обсудить, как усилители проводят сквозь сигналы, поэтому ниже показана базовая диаграмма синусоидального сигнала.

Sinewave — полная длина волны представляет 360 градусов

Класс A

По сравнению с другими классами усилителей, которые мы рассмотрим, усилители класса A являются относительно простыми устройствами. Определяющий принцип работы класса A заключается в том, что все выходные устройства усилителя должны проводить полный цикл сигнала в 360 градусов. Класс A также можно разделить на усилители с несимметричным выходом и двухтактные усилители. Двухтактное отклонение от основного объяснения выше за счет использования выходных устройств попарно.В то время как оба устройства проводят полный цикл в 360 градусов, одно устройство будет брать на себя большую часть нагрузки в течение положительной части цикла, а другое обрабатывает большую часть отрицательного цикла; Основным преимуществом такой схемы является уменьшение искажений по сравнению с несимметричными схемами, поскольку гармоники четного порядка подавляются. Кроме того, конструкции класса А «толкают / толкают» менее восприимчивы к гудению; односторонние конструкции требуют особого внимания к источнику питания, чтобы смягчить эту проблему.

Простая диаграмма класса A (слева; любезно предоставлено sound.westhost.com) и мощный усилитель класса A Pass Labs XS150 (справа).

Из-за положительных характеристик, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих кругах аудиофилов. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток: эффективность. Требование к проектам класса A иметь все выходные устройства всегда проводящими приводит к значительным потерям мощности, которая в конечном итоге преобразуется в тепло.Это еще больше усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель производит нулевой выходной сигнал. Реальные показатели эффективности могут составлять порядка 15-35% с вероятностью падения до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В то время как все выходные устройства в усилителе класса A проводят 100% времени, в усилителях класса B используется двухтактная компоновка таким образом, что только половина выходных устройств проводит ток в любой момент времени: одна половина покрывает Часть формы волны +180 градусов, а другая — часть -180 градусов.Как следствие, усилители класса B значительно более эффективны, чем их аналоги класса A, с теоретическим максимумом 78,5%. Учитывая относительно высокую эффективность, класс B использовался в некоторых профессиональных усилителях звука, а также в некоторых домашних ламповых усилителях.

Несмотря на их очевидную силу, велика вероятность, что вы не увидите слишком много чистых усилителей класса B, плавающих вокруг. Причина этого известна как искажение кроссовера.

Переходное искажение, влияющее на простую синусоидальную волну; изображение любезно предоставлено звуком.westhost.com.

Как видно на изображении выше, перекрестное искажение — это проблема / задержка при передаче обслуживания между устройствами, обрабатывающими положительную и отрицательную части формы волны. Излишне говорить, что такие искажения в достаточной степени слышны, и хотя некоторые конструкции класса B были лучше других в этом отношении, класс B не получил особой любви со стороны аудиофилов.

Класс A / B

Class A / B, как можно догадаться, сочетает в себе лучшее из класса A и класса B, чтобы создать усилитель без недостатков ни того, ни другого.Благодаря такому сочетанию сильных сторон усилители класса A / B в значительной степени доминируют на потребительском рынке. Так как же им это удалось? Решение на самом деле довольно простое по своей концепции: там, где в классе B используется двухтактная схема, при которой каждая половина выходного каскада имеет проводимость на 180 градусов, усилители класса A / B увеличивают это значение до ~ 181-200 градусов. Таким образом, вероятность возникновения «разрыва» в цикле значительно снижается, и, следовательно, кроссоверное искажение снижается до точки, в которой оно не имеет никакого значения.

Так что насчет этого небольшого вопроса эффективности? Достаточно сказать, что класс A / B выполняет свои обещания, легко превосходя по эффективности чистые конструкции класса A со скоростью порядка ~ 50-70%, достигаемой в реальном мире. Фактические уровни, конечно, зависят от смещения усилителя и программного материала среди других факторов. Также стоит отметить, что некоторые конструкции класса A / B делают шаг вперед в своем стремлении избавиться от кроссоверных искажений, работая в чистом режиме класса A с мощностью до нескольких ватт.Это действительно снижает эффективность при работе на низких уровнях, но все же гарантирует, что усилитель не превратится в печь при выдаче большого количества энергии.

Пример схемы класса A / B (слева; взято из Википедии) и усилителя Emotiva XPA-1L класса A / B, который работает в режиме чистого класса A до первых 35 Вт (справа).

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны.Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A / B, в которых используется переключение шины напряжения и модуляция шины соответственно. В любом случае, в условиях низкой нагрузки, система использует более низкое напряжение на шине, чем усилитель класса A / B сравнимо номинальным номиналом, что значительно снижает энергопотребление; при возникновении условий высокой мощности система динамически увеличивает напряжение на шине (т. е. переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.

Сравнение топологий класса B и класса G (слева; изображение получено из звука.westhost.com) и Outlaw Model 2200, компактный, круто работающий усилитель класса G мощностью 200 Вт (справа).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах коммутации шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость. В наши дни это часто сокращается до некоторой степени с использованием сильноточных полевых МОП-транзисторов для выбора / изменения рельсов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей (обычно по одному устройству на рельс).Помимо затрат на коммутацию шины / модуляцию шины, также стоит отметить, что в некоторых усилителях класса G используется больше устройств вывода, чем в типичной конструкции класса A / B. Одна пара устройств будет работать в обычном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем другая пара остается в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, и активируется только по мере необходимости. В конце концов, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность делает это оправданным.Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкого энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором.

Класс D

Усилители класса D, часто ошибочно называемые «цифровым усилением», представляют собой зенит эффективности усилителя, причем в реальных условиях достигаются коэффициенты, превышающие 90%. Перво-наперво: почему его относят к классу D, если «цифровое усиление» неправильно? Это была просто следующая буква в алфавите, причем класс C использовался в неаудио приложениях.Что еще более важно, как возможна эффективность более 90%? В то время как все упомянутые выше классы усилителей имеют одно или несколько постоянно активных устройств вывода, даже когда усилитель фактически находится в режиме ожидания, усилители класса D быстро переключают устройства вывода между выключенным и включенным состоянием; Например, конструкции класса T, которые представляют собой реализацию класса D, разработанного Tripath, в отличие от формального класса, используют частоты переключения порядка 50 МГц. Устройства вывода обычно управляются широтно-импульсной модуляцией: прямоугольные волны различной ширины генерируются модулятором, который представляет аналоговый сигнал, который необходимо воспроизвести.При таком жестком управлении выходными устройствами теоретически возможен 100% -ный КПД (хотя, очевидно, недостижимый в реальном мире).

Пример полной мостовой схемы класса D (слева; получено с сайта sound.westhost.com) и усилителя IQ M300 класса D, чудо мощностью 300 Вт (справа).

Углубляясь в мир класса D, вы также найдете упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи.С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют сгенерированное цифровым способом управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что те из них, которые имеют контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП на передней панели. ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они, как правило, предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть (не очень) мелочь, связанная с выходным фильтром: обычно это L-C цепь (катушка индуктивности и конденсатор), размещенная между усилителем и динамиками, чтобы уменьшить шум, связанный с работой класса D.Фильтр имеет большое значение: некачественный дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, не использующих обратную связь на этом этапе, отклик может быть настроен на определенный импеданс, но когда такие усилители представлены со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от нагрузку на громкоговоритель он видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.

В конечном итоге, сложность класса D имеет свои плюсы: эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется в виде тепла, требуется гораздо меньший отвод тепла. Более того, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и возможности снижения веса по сравнению с традиционными аналоговыми / линейными источниками питания.Взятые вместе, даже мощные усилители класса D могут весить всего несколько фунтов. Недостатком источников питания SMPS перед традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Наше ограниченное тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это правда, когда два усилителя мощности сравнимо номинальной мощности оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания смог обеспечить более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, конструкции SMPS сейчас становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Насколько эффективен типичный усилитель класса D по сравнению с обычным дизайном класса A / B?

Одним словом: чрезвычайно. В то время как эффективность усилителя класса A / B повышается по мере приближения к максимальной выходной мощности, конструкции класса D поддерживают высокий рейтинг эффективности в большей части своего рабочего диапазона; в результате эффективность в реальном мире еще больше склоняется в их пользу. Изображение любезно предоставлено sound.westhost.com.

Один усилитель, чтобы править всеми?

При правильной реализации любой из вышеперечисленных элементов, не относящихся к чистому классу B, может стать основой высококачественного усилителя.Вам недостаточно? Затем давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждого дизайна:

Класс усилителя
Типичный КПД
Плюсы
Минусы
A ~ 15-35% Нет возможности кроссоверного искажения. Неэффективность = нагрев
Конструкции с несимметричным концом, склонные к гудению и более высоким уровням искажений.
B ~ 70% Сравнительно высокий КПД. Возможность значительного кроссоверного искажения и снижения качества воспроизведения
А / В ~ 50-70% Более эффективен, чем класс A.
Относительно недорого.
Перекрестное искажение можно не рассматривать.
КПД хороший, но не большой.
G&H
~ 50-70% Повышенная эффективность по сравнению с классом A / B. Дороже, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достигаются при меньшем форм-факторе.
D > 90% Максимально возможная эффективность
Легкий вес.
Широтно-импульсные модуляторы, работающие на относительно низких частотах, могут нарушить воспроизведение высокочастотного звука.
В некоторых конструкциях качество звука различается в зависимости от нагрузки на динамик.

Помимо потенциальных проблем с производительностью (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущи классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости по сравнению с эффективностью.На сегодняшнем рынке доминирует класс A / B, и не зря: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для приложений с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы подачи мощности с помощью таких усилителей, как 1000-ваттный моноблок Emotiva XPR-1, они обращаются к конструкциям класса G / H и класса D, чтобы их усилители не использовались в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса A, которые могут простить неэффективность в надежде на более чистый звук.

Сводка

В конце концов, классы усилителей не обязательно так важны, как некоторые могут приписать. Да, есть важные различия, особенно когда дело касается стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, веса. Конечно, усилитель класса A мощностью 500 Вт — плохая идея, если только идея использования вашего усилителя в качестве духовки не нравится вам. С другой стороны, различия между классами сами по себе не определяют качество звука. В конце концов, все сводится к проектированию и внедрению; в Audioholics нам посчастливилось услышать (и измерить) отличные примеры усилителей всех классов.Есть любимый? Обязательно озвучивайте свое мнение на наших форумах.

Verdinut сообщений Сентябрь 19, 2018 21:20

Одним из примеров успешных усилителей классов A / B и A / B / H, использующих SMPS, является серия усилителей DCA, которые QSC Audio производит с 1998 года. Они доказали, что хорошо спроектированный усилитель может использовать импульсный источник питания и работать с ним. работа также, если не лучше, чем обычное линейное питание:

https://www.qsc.com/cinema/products/power-amplifiers/dca-series/

Я использую три DCA 1222 и один DCA 1824 в моем Система HT.

Мэтью Дж. Поес Сообщений: Сентябрь 19, 2018 20:28

Не скажу, что у меня есть фаворит, я тоже слышал отличные примеры всех типов. Однако как рецензент и настройщик, постоянно перемещающий усилители, я могу с уверенностью сказать, что мне нравятся усилители класса D с источниками питания SMPS. Просто ими легче управлять.

Я довольно часто делал самодельные усилители, собирая их либо из предварительно подготовленных модулей, комплектов, либо даже из моих собственных разработок. Я построил множество линейных источников питания, включая умножители емкости и источники CLC с катушками индуктивности размером с тороидальный трансформатор 1 кВА.Я измерил их поведение с помощью компьютерного моделирования.

Есть качество SMPS, которое, я думаю, заслуживает упоминания и обсуждения. Им нужно немного любви.

Питание SMPS регулируется по своей природе. Это означает, что напряжение не падает с нагрузкой. Вместо этого он регулирует напряжение, пока оно не достигнет своего предела. Это хорошо для поддержания выходной мощности при различных условиях нагрузки и в высокодинамичных условиях. Это также гарантирует, что искажения усилителя и шум не вырастут внезапно на пределе.Линейные источники питания без регулирования не могут этого сделать и, следовательно, должны быть либо очень большими с огромной емкостью, либо использовать сложный метод CLC, как это сделал я, который действительно дорог и очень тяжел.

Ограничение SMPS состоит в том, что вы не можете рассматривать их максимальный номинальный ток выдачи или номинальную мощность так же, как линейные. Если рассматривать его как усилитель, то линейные софт-клипсы там, где SMPS-клипы жесткие. Когда линейный источник питания приближается к своему пределу, он просто постепенно понижает напряжение по мере увеличения тока (что на самом деле нормально для нагрузок с низким импедансом), пока не достигнет предела.Также увеличивается пульсация, поэтому рекомендуется использовать большую емкость, чтобы этого избежать. SMPS не снижает напряжение, он просто достигает своего предела, и срабатывает ограничитель тока. Это приводит к меньшему запасу мощности. Я построил усилитель мощностью 300 Вт на канал (класс A / B) и включил источник SMPS мощностью 1200 Вт, предназначенный для использования звука. Он не мог даже достичь 300 Вт (среднеквадратичное значение) до срабатывания ограничителя. Тем не менее, тороидального трансформатора 1,2 кВА и емкости в 40 000 мкФ было бы достаточно, если бы линейный источник питания превысил этот рейтинг. Вместо этого усилителю требовалось вдвое больше источника питания, чтобы достичь ожидаемой мощности.Другими словами, SMPS не обязательно должен делать усилитель менее динамичным, производителям просто нужно начать использовать гораздо более мощные усилители. Вроде вдвое больше.

Еще одним приятным атрибутом SMPS является то, что их пульсации напряжения находятся на одном уровне с лучшими возможными линейными источниками питания с расширенной фильтрацией. Ни один базовый линейный источник RC не может даже сравниться. Хотя многие могут указывать на шум переключения в SMPS, на самом деле в современных, хорошо спроектированных SMPS звукового уровня нет значимого шума переключения на выходе.У них действительно высокое радиочастотное излучение, но оно легко отфильтровывается. В конце концов, я думаю, всем нам нужны SMPS во всех усилителях.

ski2xblack сообщений Декабрь 28, 2017 14:04

JRoss, пост: 1226221, участник: 84460
Привет, Стив, это, наверное, странный вопрос для вас, ребята, потому что это 12 вольт. Усилитель класса A, AB и т. Д. Вы когда-нибудь слышали о классе A / G? Может оно существует? В моей коллекции есть предположения середины и конца 80-х с нанесенной по трафарету схемой A / G.Ничего не могу найти на нем. Так вопрос, может ли это быть? Дай мне знать. Thx

Это можно интерпретировать как излюбленную топологию TLS — Quad current dumpers. Усилитель класса A довольно умно сочетался с классом B. Не уверен, был ли он когда-либо реализован в мобильном аудио. Или это могло быть так, как сказал Стив.

Anywho, у меня есть усилители класса a / b и g (h?), А также пара ламп SE, которые не особенно хорошо усиливаются, но они точно обеспечивают шоколадную середину.

Verdinut сообщений Декабрь 28, 2017 12:20

Самые мощные усилители QSC Audio работают в классе AB при более низких уровнях выходного сигнала, а затем переключаются на шину с более высоким напряжением для работы в классе H.

Steve81 сообщений 28 декабря, 2017 11:31

JRoss, пост: 1226221, участник: 84460
Итак, вопрос, может ли это быть? Дай мне знать. Thx

Может. Лучше всего предположить, что это, вероятно, усилитель A / B, который работает в классе A до определенного уровня, а затем использует дополнительную эффективность переключения шины A / B + (G) для более высоких уровней выходного сигнала.

классов усилителей мощности (пояснения к усилителям классов A, B, AB, C, D)

В электронике усилитель является наиболее часто используемым схемным устройством с огромными возможностями применения.В электронике, связанной с аудио, предварительный усилитель и усилители мощности — это два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, помимо этой цели, связанной с конкретным приложением, существуют огромные различия в различных типах усилителей, в основном в усилителях мощности. Итак, здесь мы рассмотрим различных классов усилителей , а также их преимущества и недостатки.

Классификация усилителей с использованием букв

Классы усилителей отражают характеристики и характеристики усилителя.Усилители мощности разных типов дают разные отклики при прохождении через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям присваиваются разные буквы или алфавиты, которые представляют их классы. Существуют разные классы усилителей, начиная с A, B, C, AB, D, E, F, T и т. Д. . Из этих классов наиболее часто используемые классы аудиоусилителей — это A, B, AB, C. Другие классы — это современные усилители, которые используют топологию переключения и метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления выходной нагрузкой.Иногда улучшенной версии традиционных классов присваивается буква, чтобы классифицировать их как другой класс усилителя, например, усилитель класса G является модифицированным классом усилителя класса B или усилителем класса AB.

Классы усилителя представляют собой пропорцию входного цикла, когда ток проходит через усилитель. Входной цикл — это угол проводимости, определяемый синусоидальной волновой проводимостью на входе усилителя. Этот угол проводимости сильно пропорционален усилителям по времени в течение полного цикла. Если усилитель всегда включен во время цикла, угол проводимости будет составлять 360 градусов . Таким образом, если усилитель обеспечивает угол проводимости 360 градусов, тогда усилитель использовал полный входной сигнал, а активный элемент проводился в течение 100% периода времени полного синусоидального цикла.

Ниже мы продемонстрируем традиционных классов усилителей мощности, начиная от класса A, B, AB и C, , а также продемонстрируем усилитель класса D, который широко используется в схемах переключения.Эти классы используются не только в усилителе мощности, но и в схемах аудиоусилителей.

Усилитель класса A

Усилитель

класса A — это усилитель с высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью. В случае усилителя класса A угол проводимости составляет 360 градусов. Как мы заявили выше, угол проводимости 360 градусов означает, что усилитель остается активным в течение всего времени и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

Как мы видим на изображении, здесь один активный элемент, транзистор. Смещение транзистора все время остается включенным. Благодаря этой функции никогда не выключаться усилитель класса A обеспечивает лучшую стабильность на высоких частотах и ​​петле обратной связи . Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко сконструировать из одного компонента и минимального количества деталей.

Несмотря на достоинства и высокую линейность, безусловно, имеет множество ограничений.Из-за непрерывной проводимости усилитель класса A имеет большие потери мощности . Также из-за высокой линейности усилитель класса A обеспечивает искажения и шумы. Блок питания и конструкция смещения требуют тщательного выбора компонентов, чтобы избежать нежелательных шумов и минимизировать искажения.

Из-за больших потерь мощности в усилителе класса A он выделяет тепло и требует большего радиатора. Усилители класса А имеют очень низкий КПД, теоретически КПД варьируется от 25 до 30% при использовании с обычной конфигурацией.Эффективность можно повысить, используя конфигурацию с индуктивной связью, но эффективность в этом случае составляет не более 45-50%, поэтому подходит только для целей усиления низкого уровня сигнала или низкого уровня мощности.

Усилитель класса B

Усилитель класса B немного отличается от усилителя класса A. Он создан с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла , то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный токовый привод нагрузки.

На изображении выше показана идеальная конфигурация усилителя класса B. Он состоит из двух активных устройств , которые смещаются одно за другим в течение положительного и отрицательного полупериода синусоидальной волны , и, таким образом, сигнал подталкивается или подтягивается к усиленному уровню как с положительной, так и с отрицательной стороны и объединяет результат, который мы получаем в течение полного цикла. выход. Каждое устройство включается или становится активным на половине цикла, и за счет этого КПД повышается, по сравнению с КПД усилителя класса A 25-30%, теоретически он обеспечивает КПД более 60%.Мы можем увидеть график входного и выходного сигнала каждого устройства на изображении ниже. Для усилителя класса B КПД составляет не более 78%. Тепловыделение в этом классе сведено к минимуму, обеспечивая малое пространство для теплоотвода .

Но и у этого класса есть ограничение. Очень серьезным ограничением этого класса является искажение кроссовера . Поскольку два устройства обеспечивают каждую половину синусоидальных волн, которые объединяются и объединяются на выходе, возникает рассогласование (переход) в области, где объединяются две половины.Это связано с тем, что, когда одно устройство завершает полупериод, другое должно обеспечивать такую ​​же мощность почти в то же время, когда другое завершает работу. Эту ошибку сложно исправить в усилителе класса А, так как во время активного устройства другое устройство остается полностью неактивным. Ошибка приводит к искажению выходного сигнала. Из-за этого ограничения это серьезный недостаток для применения в точных аудиоусилителях.

Усилитель класса AB

Альтернативный подход для преодоления перекрестных искажений заключается в использовании усилителя AB.Усилитель класса AB использует промежуточный угол проводимости обоих классов A и B, поэтому мы можем видеть свойство усилителя как класса A, так и класса B в топологии усилителя этого класса AB. Как и класс B, он имеет ту же конфигурацию с двумя активными устройствами, которые проводят половину циклов по отдельности, но каждое устройство смещено по-разному, поэтому они не отключаются полностью в момент непригодности (момент перехода). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидального сигнала, вместо этого они проводят небольшой ввод в течение другого полупериода.Используя эту технику смещения, рассогласование кроссовера в мертвой зоне резко сокращается.

Но в этой конфигурации эффективность снижается из-за нарушения линейности устройств. Эффективность остается выше, чем у типичного усилителя класса A, но ниже, чем у системы усилителя класса B. Кроме того, необходимо тщательно выбирать диоды с точно таким же номиналом и размещать их как можно ближе к выходному устройству.В некоторых схемных конструкциях разработчики стремятся добавить резистор небольшого номинала, чтобы обеспечить стабильный ток покоя на устройстве, чтобы минимизировать искажения на выходе.

Усилитель класса C

Помимо усилителя классов A, B и AB, существует еще один усилитель класса C. Это традиционный усилитель, который работает иначе, чем усилители других классов. Усилитель класса C — это настроенный усилитель, который работает в двух разных рабочих режимах, настроенном или ненастроенном. Эффективность усилителя класса C намного выше, чем у усилителя A, B и AB. Максимальный КПД 80% может быть достигнут в операциях, связанных с радиочастотами

Усилитель

класса C использует угол проводимости менее 180 градусов. В ненастроенном режиме секция тюнера не включается в конфигурацию усилителя. В этой работе усилитель класса C также дает огромные искажения на выходе.

Когда на схему воздействует настроенная нагрузка, она ограничивает уровень выходного смещения со средним выходным напряжением, равным напряжению питания.Настроенная операция называется фиксатором . Во время этой операции сигнал приобретает правильную форму, а центральная частота становится менее искаженной.

При типичном использовании усилитель класса C дает КПД 60-70%.

Усилитель класса D

Усилитель

класса D — это коммутирующий усилитель, использующий широтно-импульсную модуляцию или ШИМ. В этом случае угол проводимости не имеет значения, так как прямой входной сигнал изменяется с переменной шириной импульса.

В этой системе усилителей класса D линейное усиление не принимается, поскольку они работают как обычный переключатель, который имеет только две операции: ВКЛ или ВЫКЛ.

Перед обработкой входного сигнала аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов с помощью различных методов модуляции, а затем подается в систему усилителя. Поскольку длительность импульсов связана с аналоговым сигналом, он снова восстанавливается с использованием фильтра нижних частот на выходе.

Усилитель класса D — это усилитель класса с наивысшим КПД в сегментах A, B, AB, а также C и D.Он имеет меньшее тепловыделение, поэтому необходим небольшой радиатор. Схема требует различных переключающих компонентов, таких как полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но мы должны помнить, что это не цифровой преобразователь. Хотя для более высоких частот усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения полосы пропускания в зависимости от возможностей фильтра нижних частот и модуля преобразователя.

Усилители других классов

Помимо традиционных усилителей, есть еще несколько классов: класс E, класс F, класс G и H.

Усилитель класса E — это высокоэффективный усилитель мощности, использующий переключающую топологию и работающий в радиочастотном диапазоне. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основными компонентами, используемыми с усилителем класса E.

Класс F — усилитель с высоким сопротивлением гармоник.Он может управляться прямоугольной или синусоидальной волной. Для входа синусоидальной волны этот усилитель может быть настроен с помощью катушки индуктивности и может использоваться для увеличения усиления.

Класс G использует переключение шин для снижения энергопотребления и повышения эффективности. А Class H — это дальнейшая улучшенная версия Class G.

Дополнительные классы — усилители специального назначения. В некоторых случаях буквы предоставляются производителем для обозначения их патентованного дизайна.Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является торговой маркой особого типа переключающего усилителя класса D, используемого в технологиях усилителей Tripath, который представляет собой запатентованную конструкцию.

Двухтактный усилитель класса B и класса AB

Здравствуйте, друзья! Надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим двухтактный усилитель КЛАССА B и AB. Такой усилитель, который при смещении на отсечке работает на восемьдесят градусов в линейной области входного цикла и на 180 градусов отсечки. Этот усилитель известен как усилитель класса B.В то время как усилитель работает более чем на один-восемьдесят градусов входного цикла, это называется усилителем класса AB.
Основное преимущество усилителя класса B или класса AB по сравнению с усилителями класса A состоит в том, что они намного эффективнее, чем усилители класса, поскольку от этих усилителей мы можем получить большую выходную мощность от входа

. С преимуществом, недостатком этих двух усилителей является то, что сложно реализовать их схему, чтобы получить линейную регенерацию входного сигнала. термин, используемый для схемы усилителя класса B или класса AB, в которой 2 транзистора работают на половину сигнала для регенерации входа на выходе.В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим их схему, рабочие и связанные с ними параметры. Итак, давайте начнем с двухтактных усилителей класса B и AB. Итак, давайте начнем с двухтактного усилителя КЛАССА В и АВ.

Двухтактный усилитель класса B и класса AB

Эксплуатация класса B

  • На рисунке ниже поясняется работа класса b, поскольку показано, что выходной сигнал соответствует входу во времени (t).

Точка Q находится в состоянии отсечки

  • Усилитель класса B имеет смещение в состоянии отсечки, поэтому ICQ = 0 и VCEQ = VCE (отсечка).
  • Усилитель класса B смещен на отсечке и работает в линейной области, так как входной сигнал работает транзистором в проводимости.
  • На приведенном ниже рисунке поясняется, что для усилителя класса B с общим коллектором выходной сигнал не является копией входа.

Двухтактный режим класса B

  • На приведенном выше рисунке схема показана для работы с положительной половиной входного сигнала.
  • Для усиления полного цикла необходимо использовать усилитель 2 nd класса B, который работает на отрицательной половине сигнала.
  • Комбинированная работа двух усилителей класса B известна как двухтактный усилитель.
  • Существует 2 основных способа генерации двухтактного усилителя полного сигнала.
  • В первом методе используется связь с двумя трансформаторами, а во втором методе используется симметричный транзистор с двумя дополнениями, который соответствует парам NPN / PNP BJT .

Трансформаторная муфта

  • Трансформаторная муфта показана на рисунке ниже.
  • Вторичная сторона входного трансформатора имеет центральный отвод, который соединен с землей, генерирующей инверсию фазы одной стороны относительно другой стороны.
  • Трансформатор за счет отвода от центра преобразует входной сигнал в 2 противофазные сигнальные волны для транзисторов.
  • Трансформатор на выходе связывает сигналы, позволяя току течь в обоих направлениях, даже если один транзистор всегда находится в области отсечки.
  • Положительный источник питания сигнала связан с центральным ответвлением трансформатора, подключенного к выходу.

Транзисторы с дополнительной симметрией

  • Ниже показаны наиболее часто используемые типы двухтактных усилителей класса b с положительными и отрицательными источниками питания.
  • Это дополнительный усилитель, поскольку в одной схеме используется транзистор NPN, а во второй — PNP, который работает для обеих половин входного сигнала.
  • Обратите внимание, что нет выходов напряжения смещения базы постоянного тока, что означает, что VB равен нулю.
  • Значит, транзистор работает из-за источника напряжения.
  • Транзистор Q1 работает только в положительном полупериоде входного сигнала, а транзистор Q2 работает в течение отрицательного полупериода сигнала.

Перекрестное искажение сигнала

  • Если значение напряжения смещения постоянного тока равно 0, оба транзистора не включены, и напряжение входного сигнала должно быть больше VBE до того, как транзистор станет проводимостью.
  • Из-за этого существует временной интервал между положительным и отрицательным изменением входного сигнала, когда транзистор не работает, как показано на рисунке ниже
  • Результирующее искажение выходного сигнала известно как перекрестное искажение.

Двухтактный усилитель со смещением для работы класса AB

  • Для уменьшения перекрестных искажений уровень смещения изменяется для уменьшения напряжения VBE транзистора, это вызывает операцию модификации, известную как класс AB.
  • В режиме работы класса AB двухтактные каскады смещаются в режим с меньшей проводимостью, в случае отсутствия входного сигнала происходит выход.
  • Он может быть сформирован через комбинацию схемы делителя напряжения и диода, как показано на рисунке ниже.
  • Состояние, когда характеристики диода D1 и D2 почти такие же, как и у перехода база-эмиттер транзистора в этом состоянии, ток через диод и транзистор одинаков, называется токовым зеркалом.
  • Это токовое зеркало генерирует требуемую работу класса AB и уменьшает кроссоверные искажения.
  • В цепи смещения схемы, показанной выше, изображены сопротивления R1 и R2, которые имеют то же значение, что и источник положительного и отрицательного напряжения.
  • Это приводит к тому, что напряжение в точке А на диоде становится равным нулю вольт и уменьшает использование входного конденсатора связи.
  • Значение постоянного напряжения на выходе равно нулю.
  • Предположим, что нижний диод и транзистор, которые дополняют друг друга, одинаковы, поэтому потеря напряжения на диоде D1 равна VBE транзистора Q1, а потеря напряжения на диоде D2 равна напряжению VBE транзистора Q2.
  • Так как их значение одинаково, ток диода будет аналогичен ICQ.
  • Значение тока диода и ICQ можно рассчитать с использованием закона Ома относительно сопротивления R1 и R2.

I CQ = (VCC — 0,7 В) / R1

  • Этот небольшой ток, необходимый для работы усилителя класса AB, снижает перекрестные искажения, также имеет потенциал для тепловой нестабильности, если VBE потерь транзистора не совпадает с диодом потери или если диод не находится в тепловом равновесии с транзистором.
  • Нагрев силовых транзисторов снижает напряжение база-эмиттер и вызывает увеличение тока.
  • Если диоды имеют одинаковое количество тепла, ток находится в стабильном состоянии, но если диод имеет меньшую температуру или меньшую температуру окружающей среды, это вызывает дальнейшее увеличение тока ICQ.
  • Дополнительное тепло вырабатывается для неконтролируемого цикла, который называется тепловым разгоном.
  • Для продолжения этого процесса для диодов должен быть такой же температурный режим, что и для транзисторов.
  • В некоторых случаях небольшое сопротивление эмиттера каждого транзистора может уменьшить тепловой пробой.
  • Перекрестные искажения также возникают в усилителе с трансформаторной связью, о котором мы говорили выше.
  • Для уменьшения этого искажения в данном случае на вторичной обмотке трансформатора подается 0,7 В, что приводит к смещению обоих транзисторов в проводимость.
  • Напряжение смещения, вызывающее эти потери, может быть получено от источника питания с одним диодом, как показано на рисунке ниже.

Работа от переменного тока

  • Возьмем линию нагрузки переменного тока для транзистора Q1 усилителя класса AB, показанного на рисунке ниже
  • Точка Q немного выше точки отсечки.
  • Напряжение отсечки переменного тока для 2 функций питания в VCC с ICQ указано выше.
  • Насыщение по переменному току для 2-х источников питания с двухтактным усилителем приведено ниже.

Ic (sat) = VCC / RL —– (A)

  • На рисунке ниже показана нагрузка переменного тока для NPN-транзистора.
  • Линию нагрузки постоянного тока можно найти, построив линию, которая проходит от VCEQ и постоянного тока насыщения IC (sat).
  • Хотя ток насыщения для постоянного тока является током, если коллектор к эмиттеру замкнут накоротко с обоими транзисторами.
  • Это предполагаемое короткое замыкание в цепи питания заметно вызовет чрезмерный ток от источников и предполагает, что линия нагрузки постоянного тока проходит под углом 90 градусов над отсечкой, как показано.
  • Функция вдоль линии нагрузки постоянного тока, вызванная тепловым разгоном, может генерировать большой ток, который может повредить транзистор.
  • Рисунок, обозначенный как (a), определяет линию нагрузки переменного тока для транзистора Q1 усилителя класса AB, как показано на рисунке, обозначенном как (b).
  • В этом объясненном состоянии выдается сигнал, который колеблется над областью линии нагрузки переменного тока, показанной жирным шрифтом.
  • В верхней точке линии нагрузки переменного тока напряжение на транзисторе меньше, а выходное напряжение является экстремальным или максимальным.
  • В экстремальных условиях транзисторы Q1 и Q2 работают на грани отсечки до чистого насыщения.
  • Во время положительного изменения входного сигнала транзистор Q1 работает от значения точки Q, которое обнуляется, до почти VCC, генерируя положительное пиковое напряжение, меньшее, чем VCC.
  • Точно так же отрицательное изменение эмиттера входного напряжения транзистора Q2 работает от точки Q до нуля вольт до генерирующего значение отрицательного пикового напряжения, почти равного -VCC.
  • Хотя возможно функционирование вблизи тока насыщения, этот тип функции вызывает увеличение искажения сигнала.
  • Переменный ток насыщения, показанный в уравнении «A», также является пиковым выходным током.
  • Каждый транзистор может работать на своей полной нагрузочной линии.
  • Как мы обсуждали в усилителе класса A , транзисторы могут работать при полной нагрузке с некоторой разницей.
  • В классе A точка Q выходит около центральной точки, в транзисторе имеется достаточный ток и нет сигнала.
  • В классе b, когда сигнал не существует, через транзистор протекает очень мало тока и, следовательно, меньше рассеиваемая мощность.
  • Таким образом, эффективность усилителя класса B может быть выше, чем у усилителя класса.
  • КПД усилителя класса B составляет почти 79 процентов.

Двухтактный усилитель с однополярным питанием

  • Двухтактный усилитель с симметричным транзистором может работать от одного источника питания, как показано на рисунке ниже.
  • Работа схемы такая же, как мы обсуждали выше, с той разницей, что смещение устанавливается так, чтобы выходное напряжение на эмиттере было равно VCC / 2 вместо 0 вольт, используя два источника питания.
  • Так как смещение не смещено на 0 вольт.
  • Соединение конденсатора необходимо для остановки напряжения смещения от источника и сопротивления нагрузки.
  • В идеале выходное напряжение варьируется от 0 до VCC, но на практике оно не полностью соответствует идеальным условиям.

Класс B / AB Мощность

Максимальная выходная мощность

  • Как мы уже обсуждали, идеальным экстремальным пиковым выходным током для двухтактного усилителя с двумя источниками питания и с одним источником питания является amlsot Ic (sat) и максимальный пик выходное напряжение почти VCEQ.
  • Здесь приведена идеальная максимальная средняя мощность.

Pout = Iout (rms) Vout (rms)

Iout (rms) = 0,707Iout (пик) = 0,707Ic (sat)

Vout (rms) = 0,707 Vout (пик) = 0.707VCEQ

Pout = 0,5Ic (sat) VCEQ

  • Если подставить значение VCC / 2 вместо VCEQ, будет получена максимальная средняя выходная мощность.

Pout = 0,25Ic (sat) VCC

Входная мощность постоянного тока классов B и AB

  • Входная мощность поступает от источника VCC и обозначается как.

P DC = I CC V CC

  • Поскольку каждый транзистор потребляет ток в течение полусинвала, ток является полуволновым со средним значением, указанным как.

ICC = Ic (sat) / π

PDC = Ic (sat) VCC / π

Эффективность классов B и AB

  • Основное преимущество двухтактных усилителей класса B и класса AB по сравнению с классом A что их большая эффективность.
  • Это преимущество обычно решает проблему смещения двухтактного усилителя класса AB для устранения кроссоверных искажений.
  • Как мы знаем, эффективность — это отношение выходной мощности переменного тока к входной мощности постоянного тока.

Ƞ = Pout / PDC

  • Максимальный КПД для усилителя класса B может быть оштрафован как.

Pout = 0,25Ic (sat) VCC

Ƞ max = Pout / PDC = 0,25Ic (sat) VCC / (Ic (sat) VCC / Ƞ)

= 0,25π

Ƞ max = 0,79 или 79%

  • При этом КПД для усилителя класса А составляет 25 процентов.

Усилитель Дарлингтона класса AB

  • Во многих приложениях, где используется двухтактная конфигурация, сопротивление нагрузки меньше.
  • Например, в динамике обычно используется двухтактный усилитель класса AB.
  • Как мы обсуждали выше, двухтактные усилители могут показывать очень меньшее сопротивление входному сопротивлению предыдущего усилителя, который им управляет.
  • Согласно предыдущему выходному сопротивлению усилителя, меньшее входное двухтактное сопротивление может сильно нагружать его и сильно уменьшать коэффициент усиления по напряжению.
  • Например, если каждое сопротивление смещения составляет 1 кОм, и если дополнительный транзистор в двухтактном усилителе показывает переменное β, равное пятидесяти, а сопротивление нагрузки составляет восемь Ом.
  • Значение входного сопротивления будет.

Rin = βac (r’e + RL) ││ R1││ R2 = 50 (1 Ω + 8 Ω) ││1kΩ││1kΩ = 236Ω

  • Если сопротивление коллектора операционного усилителя равно 1- килоом, входное сопротивление двухтактного усилителя уменьшает эффективное сопротивление коллектора управляющего усилителя до значения Rc = RC ││Rin = 1,0 кОм ││ 236Ω = 190 Ом.
  • Это сильно снижает коэффициент усиления по напряжению управляющего усилителя, так как его коэффициент усиления равен Rc / r’e.
  • В некоторых приложениях с меньшей нагрузкой сопротивления можно использовать двухтактный усилитель с транзистором Дарлингтона , чтобы увеличить входное сопротивление, используемое для управления усилителем, и избежать резкого снижения коэффициента усиления по напряжению.
  • Чистый ac β пары Дарлингтона обычно обозначается как превышение тысячи.
  • При таком смещении сопротивление может быть большим, поскольку необходим базовый ток.
  • Двухтактный усилитель Дарлингтона класса AB показан на рисунке ниже. 7.19
  • В схеме смещения требуется 4 диода, чтобы обеспечить 4 перехода база-эмиттер в 2 пары Дарлингтона.

Дополнительный усилитель Дарлингтона класса AB

  • Дополнительный усилитель Дарлингтона также называется парой Шиклая.
  • Это похоже на пару Дарлингтона с той разницей, что в ней используются разные категории транзисторов: один NPN, второй — PNP.
  • На рисунке ниже показан двухтактный усилитель класса AB с выходным силовым транзистором 2 NPN, обозначенный как Q2 и Q4.
  • Верхняя часть двухтактной схемы является нормальной парой Дарлингтона, а нижняя часть — дополнительной парой Дарлингтона.

Итак, друзья, это подробный пост о двухтактных усилителях класса B и AB, если у вас есть какие-либо вопросы, задавайте их в комментариях.Увидимся в следующем уроке. Я старался изо всех сил, чтобы упростить вам задачу.

Автор: Генри

http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Разница между усилителями класса A и класса AB

Разница между усилителями класса A и класса AB заключается просто в точке смещения транзисторов. В случае класса A транзистор смещен так, что в течение всего цикла ВЧ-входа транзистор работает в пределах своей линейной части. В случае класса AB часть цикла входа фактически выключает транзистор.
Это означает, что в случае усилителя класса A выходной сигнал является точным воспроизведением входного сигнала, тогда как в случае класса AB некоторое искажение неизбежно.

Что это означает и что мне нужно учитывать при принятии решения, какой тип усилителя мне нужен?
По возможности всегда следует выбирать усилитель класса AB, так как он будет дешевле и эффективнее. Но сможете ли вы это сделать, будет зависеть от вашего конкретного приложения. Если вы просто пытаетесь подать мощность для вашего приложения, такого как нагрев или перемешивание, то класса AB обычно будет достаточно.
Однако, если точность передаваемого вами сигнала важна для вас и вам требуется информация от этого сигнала, то, вероятно, вам потребуется усилитель класса A.

E&I оценивает все свои усилители по точке сжатия 1 дБ. (Для определения компрессии 1 дБ см .: Компрессия 1 дБ) Это точка, в которой усиление мощности на 1 дБ ниже линейного диапазона. Спецификация, которую мы используем для определения искажения, — это гармоническая составляющая. Уровень содержания гармоник указан как дБн. Это уровень гармонического сигнала ниже основной гармоники, измеряемый в дБ. (Определение дБ см. В децибелах). Содержание гармоник в наших усилителях обычно указывается при номинальной мощности и -25 дБн.Наши усилители всегда имеют двухтактную конфигурацию, в результате чего вторая гармоника ниже третьей. Таким образом, в то время как вторая гармоника будет в районе -40 дБн, вполне возможно, что на некоторых частотах третья может достигать -25 дБн. Мы не указываем содержание гармоник в наших усилителях класса AB. Однако для сравнения: наихудшая 3-я гармоника для нашего усилителя класса AB обычно может составлять от -14 до -15 дБ

A, B, AB, C, D и т. Д. »Электроника

Способ работы усилителя определяется его классом — широко используются классы усилителей, включая A, B, AB, C, D и другие.


Концепции конструкции усилителя Включает:
Основные концепции
Классы усилителя


Усилители классифицируются в зависимости от того, как они смещены и работают.

Классы усилителей, включая Класс A, Класс B, Класс AB, Класс C и т.п., широко используются при рассмотрении технических характеристик усилителей и их конструкции.

Класс усилителя выбирается в соответствии с общими требованиями.Разные классы усилителей обладают разными характеристиками, что позволяет усилителю работать определенным образом, а также с определенным уровнем эффективности.

Обзор классов усилителей

Усилители разных классов имеют разные рабочие характеристики. Это делает разные типы усилителей подходящими для разных ситуаций. Табличное резюме их различных характеристик приводится ниже.

Обозначения классов усилителя и сводка характеристик
Класс усилителя Описание Угол проводимости θ
Класс A Проведение на всех 360 ° цикла θ = 2π
Класс B Проводимость происходит в течение половины цикла, т.е.е. для 180 ° θ = π
Класс AB Проводимость происходит в течение чуть более половины цикла, т.е. чуть более 360 ° θ <θ <2π
Класс C Проводимость происходит менее чем на 180 ° цикла, но это создает искажение θ <π
Классы от D до T Усилители этих классов используют методы нелинейного переключения для повышения эффективности. НЕТ

Усилители класса А

Усилитель класса A смещен так, что он проводит в течение всего цикла формы волны. Он проводит все время, даже при очень слабых сигналах или при отсутствии сигнала.

Усилитель класса A по своей сути является наиболее линейной формой усилителя, и он обычно смещен, чтобы гарантировать, что выходной сигнал самого устройства, прежде чем он будет пропущен через конденсатор связи или трансформатор, будет составлять половину напряжения шины, что позволяет одинаково по обе стороны от этой центральной точки.Это означает, что самый большой сигнал может быть обработан до того, как он достигнет верхней или нижней шины напряжения.

Обычно усилитель класса A начинает становиться нелинейным, когда сигнал приближается к любой шине напряжения, поэтому в этой ситуации обычно не работают.

Для правильной работы усилителя в условиях класса A ток отсутствия сигнала в выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки для пика любого сигнала.

Поскольку выходное устройство всегда проводит этот ток, это означает потерю мощности в усилителе.Фактически, максимальная теоретическая эффективность, которую может достичь усилитель класса A, составляет 50% эффективности при индуктивной связи по выходу или всего 25% при емкостной связи. На практике полученные фактические цифры намного меньше этого по ряду причин, включая потери в цепи и тот факт, что формы сигналов обычно не остаются на своих максимальных значениях, когда достигаются максимальные уровни эффективности.

Соответственно, усилитель класса A обеспечивает линейный выходной сигнал с наименьшими искажениями, но также и с наименьшим уровнем эффективности.

Усилители класса B

Усилитель класса B смещен так, что проводит более половины формы волны. Используя два усилителя, каждый из которых проводит половину сигнала, можно охватить весь сигнал.

Для этого используются два активных устройства, а форма входного сигнала разделяется таким образом, чтобы одно активное устройство проводило в течение половины цикла ввода, а другое — в течение другой половины. Две половины суммируются на выходе усилителя для восстановления полной формы сигнала.

Иногда усилители класса B называют «двухтактными», потому что выходы активных устройств имеют фазовое соотношение 180 °.Однако в наши дни этот термин используется менее широко — он имел тенденцию быть очень распространенным, когда использовались вакуумные лампы / термоэлектронные клапаны, а в последние годы термин вышел из употребления.

КПД намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемых перекрестных искажений, когда одна половина усилителя отключается, а другая начинает действовать. Это происходит из-за нелинейностей, возникающих вблизи точки переключения, когда одно устройство включается, а другое выключается.Эта точка, как известно, является нелинейной, и искажение особенно заметно для сигналов низкого уровня, где нелинейный участок кривой представляет гораздо большую часть общего сигнала.

Хотя максимальная теоретическая эффективность усилителя класса B составляет 78,5%, типичные уровни эффективности намного ниже.

Усилители класса AB

Как и следовало ожидать, усилитель класса AB находится между классом A и классом B. Он направлен на преодоление перекрестных искажений путем небольшого включения транзисторов, так что они проводят чуть больше половины цикла, и два устройства перекрываются на небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая кроссоверные искажения.

Этот подход означает, что усилитель жертвует некоторым потенциальным КПД ради лучшей линейности — в точке кроссовера выходного сигнала наблюдается гораздо более плавный переход. Таким образом, усилители класса AB жертвуют частью эффективности ради снижения искажений. Соответственно, класс AB — гораздо лучший вариант, когда требуется компромисс между эффективностью и линейностью.

Классы AB1 и AB2
Термоэмиссионные клапаны или вакуумные лампы широко использовались для мощных аудио и линейных ВЧ усилителей.Для экономии затрат, веса и энергопотребления усилители использовались в классе AB, и часто упоминались два подкласса усилителей: класс AB1 и AB2. Эти подклассы применимы только к термоэлектронной технологии или технологии вакуумных трубок, поскольку они относятся к способу смещения сетки:

  • Класс AB1: Класс AB1 — это то место, где сеть смещена более отрицательно, чем в классе A. В классе AB1 клапан смещен так, что ток в сети не течет. Этот класс усилителя также дает более низкие искажения, чем тот, который работает в классе AB2.
  • Класс AB2: Класс AB2 — это то место, где сетка часто имеет более отрицательное смещение, чем в AB1, а также размер входного сигнала часто больше. В этом классе ток сети течет в течение части положительного полупериода входного сигнала. Это нормальная практика, когда точка смещения сети класса AB2 находится ближе к отсечке, чем это происходит в классе AB1, а класс AB2 дает большую выходную мощность.

Усилители класса C

Усилитель класса C смещен так, что проводит меньше половины цикла.Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достичь очень высокого уровня эффективности. Этот тип усилителя может использоваться для РЧ-усилителей, которые передают сигнал без амплитудной модуляции — его можно без проблем использовать для частотной модуляции. Гармоники, создаваемые усилителем, эффективно работающим в режиме насыщения, могут быть удалены фильтрами на выходе. Эти усилители не используются для аудио приложений из-за уровня искажений.

Усилители

класса C обычно используют одно активное устройство, которое смещено в свою выключенную область.При подаче сигнала верхние пики сигнала заставляют устройство работать в режиме проводимости, но, очевидно, только в течение небольшой части каждого цикла входной формы волны.

На выходе схема использует высокодобротный низкочастотный резонансный контур. Эта схема эффективно звонит после каждого импульса, так что выходной сигнал приближается к синусоиде. На выходе требуется фильтрация, чтобы гарантировать достаточно низкий уровень гармоник.

Обычно угол проводимости транзистора значительно меньше 180 ° — часто около 90 °.Уровни КПД могут достигать 80%, но значения 66% более нормальны, если принять во внимание потери в цепи и т. Д.

Усилитель классов от D до T

Существует множество различных классов усилителей, которые, как правило, основаны на методах переключения, а не на аналоговых подходах.

  • Усилитель класса D: В усилителе звука класса D используется технология переключения внутри усилителя. Поскольку выходные устройства либо включены, либо выключены, усилители класса D теоретически могут достичь уровня эффективности 100%.В действительности фактические достигнутые уровни меньше, но тем не менее достигнутые уровни эффективности намного выше, чем у других аналоговых классов.

    Один из первых усилителей класса D для использования звука был представлен Sinclair в Великобритании примерно в 1964 году. Хотя концепция была хороша в теории, усилитель не работал особенно хорошо, и когда это было так, усилитель, как правило, вызывал большие количества помех. помех местному радио и телевидению, поскольку меры предосторожности в отношении электромагнитной совместимости в то время обычно не применялись к оборудованию.

  • Усилитель класса G: Класс G — это усилитель, в котором используется несколько источников питания, а не только один. Для сигналов низкого уровня используется источник низкого напряжения, но по мере увеличения уровня сигнала используется источник высокого напряжения. Это постепенно приводится в действие до достижения полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию, поскольку дополнительная мощность используется только тогда, когда она действительно требуется. Изменение как более высокого напряжения питания может быть достигнуто без ущерба для точности выходного сигнала.Таким образом, усилитель может обеспечить как низкие уровни искажений, так и высокий уровень эффективности. Этот подход может быть сложным для разработки с нуля, но при правильной разработке он может хорошо работать. К счастью, сложность проектирования можно уменьшить, если использовать одну из многих аудио микросхем класса G.

В наши дни разработчику доступно гораздо больше рабочих классов усилителей. Современные кремниевые технологии открыли гораздо больше возможностей, но, несмотря на это, три основных класса усилителей: класс B и класс C с производным классом AB, который представляет собой нечто среднее между классами A и B, по-прежнему используются наиболее широко.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем

Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Проектирование и изготовление аудиоусилителя класса AB

В течение длительного периода времени только усилители классов A и AB были совместимы с высококачественными аудиосистемами.Это связано с тем, что лампы были единственным активным устройством, а усилители класса B генерировали массу искажений, что делало их практически неприемлемыми для многих целей. Создание усилителей класса AB начато для преодоления искажений перехода через нуль в усилителях класса B, обычно называемых кроссоверными искажениями. Чтобы разработать усилитель с низким уровнем искажений конфигурации класса A вместе с высокоэффективным выходом конфигурации класса B, необходимо построить схему усилителя, которая представляет собой комбинацию двух предыдущих классов, что приводит к усовершенствованному типу усилителя, называемому классом AB. усилитель мощности.В этом документе описывается конструкция аудиоусилителя класса AB. Предлагаемый подход изложен в общих чертах, а проблемы, возникшие при разработке хорошо спроектированной схемы в этом проекте, рассматриваются в этом отчете [10]. Хотя усилитель не работает в конце проекта, масса знаний и навыков достигается в течение семестра 1 и семестра 2. Например, базовые навыки использования лабораторных инструментов, таких как осциллограф, мультиметр, генератор сигналов. и т. д., а также проектирование и моделирование схем в различных программах моделирования, таких как LTSpice, PSpice и т. д.Также получены знания о чтении схемных схем и построении простой схемы на макетной плате.

Содержание

Декларация академической честности

Абстрактные

1 Введение

1.1 Усилители мощности

1.2 Классификация усилителей

1.3 Работа усилителя класса AB

2 Промышленное соответствие

2.1 Анализ рынка

2.2 Целевые приложения

2.2.1 Головка и агрегаты автомобильные

2.2.2 Автомобильное активное шумоподавление

2.2.3 Домашний кинотеатр

2.2.4 Система звукоусиления (SR)

2.2.5 Система громкой связи (PA)

2.2.6 Портативные и домашние док-станции

3 Теоретические основы

3.1 Основные рабочие характеристики

3.1.1 Выходная мощность

3.2 Основы биполярного переходного транзистора (BJT)

3.3 Кроссовер искажения

3.3.1 Коэффициент усиления по току

3.Смещение усилителя 4 класса AB

3.4.1 Смещение напряжения

3.4.2 Смещение резистора

3.4.3 Регулируемое смещение

3.4.4 Смещение диода

4 Модель

4.1 Смещение резистора

4.1.1 Рабочая точка

4.1.2 Резисторы смещения

4.1.3 Входная мощность

4.1.4 Выходная мощность

4.1.5 Коэффициент усиления

4.1.6 Максимальная выходная мощность

4.1.7 Энергоэффективность

4.2 Усилитель класса AB со смещающими диодами

4.2.1 Подмагничивающие резисторы

5 Экспериментальный метод

6 Результаты и обсуждение

7 Выводы

Справочный лист

Книги

Периодические и академические журналы Статьи

Интернет-материалы

Приложения

Приложение 1: Форма спецификации проекта

Приложение 2: Диаграмма Ганта

Приложение 3: Оценка рисков безопасности проекта

Приложение 4: Анкета этического одобрения

Список рисунков

Рисунок 1‑1: Блок-схема усилителя мощности …………………….

Рисунок 1-2: КПД усилителей классов …………………………

Рисунок 1‑3: Форма выходного сигнала класса AB …………………………

Рисунок 1-4: Основные операции усилителя класса AB ………………… ..

Рисунок 2‑1: Головное устройство ……………………………………….

Рисунок 2‑2: Блок внутри багажника ………………………………………

Рисунок 2‑3: Расположение активного шумоподавителя ……………………

Рисунок 2-4: Процесс активного шумоподавления …………………….

Рисунок 2‑5: Типичная система домашнего кинотеатра ………………………..

Рисунок 2‑6: Система SR, обычно используемая в живых выступлениях ………… ..

Рисунок 2-7: Оборудование системы громкой связи ……………………………….

Рисунок 2-8: Портативная и бытовая док-станция …………………….

Рисунок 3‑1: Разделительные искажения усилителя класса B …………………

Рисунок 4‑1: Усилитель класса AB с резистивным смещением …………………

Рисунок 4‑2: Отсечка точки Q класса AB ………………………………

Рисунок 4‑3: Усилитель класса AB с диодным смещением ……………………

Рисунок 4‑4: Моделирование выходного сигнала LTSpice ………………….

Рисунок 6-1: LTspice Моделирование опорного тока, Iref …………… ..

Рисунок 6‑2: Моделирование LTSpice положительного и отрицательного бокового сигнала

Рисунок 6‑3: Моделирование LTSpice входного аудиосигнала по сравнению с выходным сигналом.

Список таблиц

Таблица 1: Классы усилителей …………………………………………

Этот отчет охватывает области аналоговой электроники и технологической плазмы. Основная цель проекта — спроектировать и построить усилитель мощности, построенный с использованием мощных полупроводников в топологии класса AB.Усилитель объединен с динамиком в качестве выхода. Схема включает комбинацию усилителей мощности класса A и класса B с каскадом смещения, подключенным к базе дополнительных транзисторов. Транзисторы почти не включаются за счет смещения базы транзисторов NPN и PNP с достаточным напряжением. Существует несколько доступных методов смещения для достижения наиболее эффективного усилителя, которые кратко обсуждаются ниже. В этом отчете рассматриваются неудачные попытки и проблемы, возникшие на этапах проекта.

1.1 Усилители мощности

По крайней мере, один усилитель реализован почти во всех электронных устройствах сегодня, независимо от существования нескольких классов усилителей. Усилители классифицируются по их функциям, которые подразумевают, является ли устройство усилителем напряжения или усилителем мощности, а также его частотные характеристики. Рабочее описание усилителя подтверждается при условии, что установлены классификации функций и частотных характеристик.Тем не менее, каждый тип усилителей не описан. Этот отчет в основном посвящен топологии усилителей класса AB. Класс AB в основном используется в качестве усилителей мощности звука. Усилители мощности — это усилители большого сигнала. Обычно мощность выходного сигнала усилителя увеличивается по сравнению с мощностью входного сигнала. Подавляющее большинство усилителей мощности обычно используются в качестве заключительного каскада усиления для управления нагрузкой громкоговорителя.

Рисунок 1‑1: Блок-схема усилителя мощности

1.2 Классификация усилителей

Классы усилителей обозначаются суммой выходных сигналов, расходящихся в схеме усилителя в течение одного цикла процесса, когда-то представленного синусоидальным входным сигналом. Классификация усилителей варьируется исключительно на основе их линейной работы, но с гораздо большей эффективностью, в то время как остальные представляют собой компромисс между линейностью и эффективностью. Усилители в основном делятся на два класса. Первые — это классически организованные усилители угла проводимости, развивающие обычные классы усилителей A, B, AB и C, которые описываются диапазоном их положения проводимости по определенному соотношению формы выходного сигнала, так что работа транзистора выходного каскада находится где-то внутри быть насыщенным и отрезанным.Цифровые схемы и широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используются во второй группе усилителей для непрерывного смещения формы входного сигнала между состояниями «полностью включено» и «полностью выключено», что приводит к тому, что выходной сигнал четко попадает в области насыщения и отсечки транзисторов. Эти новейшие «переключающие» усилители относятся к классам D, E, F, G, S и T.

Усилители

классов A, B, C и AB в основном строятся как усилители звука по сравнению со второй группой переключаемых усилителей. На рисунке 1-1 ниже показаны четыре типа усилителей и их эффективность.Каждый класс операций имеет определенные обычаи и особенности. Ни один класс работы не превосходит любой другой класс. Выбор наилучшего класса работы решается с помощью схемы усиления в зависимости от целевого приложения. Например, самый высокий класс работы проигрывателя виниловых пластинок может быть не лучшим классом радиопередатчика.

Рисунок 1-2: КПД усилителей классов

Эти усилители различаются от почти линейного выхода с низким КПД до нелинейного выхода с высоким КПД.Характеристики каждого типа усилителя приведены в Таблице 1-1 ниже;

Таблица 1‑1: Классификация усилителей

Класс A B С AB
Угол проводимости 360 180 Менее 90 от 180 ° до 360 °
Положение точки Q Центральная точка грузовой марки Точно по оси X Ниже оси X Между осью X и центральной линией нагрузки
Общий КПД Плохо

25% — 30%

Лучше

70% — 80%

Более 80% Больше А, но меньше В 50% — 70%
Искажение сигнала Нет при правильном смещении В точке пересечения оси X Большой Малый

1.3 Работа усилителя класса AB

Рисунок 1‑3: Форма выходного сигнала класса AB

Как упоминалось в предыдущем разделе, класс AB не является законным отдельным классом, а представляет собой комбинацию классов A и B. Выходной каскад усилителя класса AB объединяет в себе преимущества усилителя класса A и класса B, уменьшая при этом проблемы. низкого КПД и коррелированных с ними искажений. Класс A хорошо известен тем, что имеет самую высокую линейность из всех других классов усилителей, и его работа означает, что ток коллектора никогда не отключается ни в какой части цикла.В нем есть транзистор, на который подается напряжение, чтобы он работал все время. Этот единственный транзистор работает как с положительной, так и с отрицательной формой волны.

С другой стороны, усилитель класса B был создан как ключевое решение проблем нагрева и повышения эффективности, связанных с предыдущим усилителем класса A. Работа транзисторного усилителя класса B подразумевает, что ток коллектора отключается на половину цикла (180 градусов) по обе стороны от цикла входного сигнала.Класс B — это двухтактный усилитель, в котором используются два транзистора. Транзистор NPN включен с положительной стороны и выключен с отрицательной стороны. Напротив, транзистор PNP включен с отрицательной стороны и выключен с положительной стороны. В нулевой точке кроссовера возникают искажения. Причина этого в том, что ничего не включается до 0,7 В, поэтому ни один из транзисторов не включается, пока не станет больше 0,7 В на положительной или отрицательной стороне, чтобы заставить биполярный транзистор начать проводить.Чтобы преодолеть это искажение перехода через нуль в усилителях класса B, обычно называемых кроссоверными искажениями, вводится класс AB [10].

Рисунок 1-4: Основные операции усилителя класса AB

В настоящее время класс AB, несомненно, является наиболее распространенным классом усилителей, используемых в домашних стереосистемах и аналогичных усилителях. Он генерирует выдающееся качество звука топологии класса A с высокой эффективностью класса B. На рисунках 1-3 и 1-4 поясняется его основная работа.Класс AB использует пару транзисторов; оба слегка смещены в положение ON, что гарантирует, что искажения вокруг точки кроссовера, связанные с предыдущими усилителями класса B, в основном устранены. Транзисторы не выходят в полный диапазон отключения. Это достигается за счет реализации в схеме двух диодов. В усилителях AB искажение наихудшее, когда сигнал имеет минимальное значение. Парадоксально, но искажения минимальны, когда сигнал достигает точки отсечки. Когда класс AB получит свою сторону формы волны, они войдут в свое полное насыщение, включатся и проведут, в результате чего выходной сигнал будет выводиться через динамик [10].

2.1 Анализ рынка

Промышленная значимость этого проекта огромна, и прогнозируются многочисленные положительные результаты. В настоящее время усилители мощности звука экономически важны и, по сути, являются товаром. История развития усилителей восходит к 1920-м годам [2]. Ожидания в отношении этого изобретения развиваются на протяжении десятилетий. Более высокая мощность, меньший вес, более чистый звук, меньшее нагревание и повышенная надежность — все это при меньших затратах и ​​меньшем весе на ватт [11].Они обычно используются в бытовых электронных устройствах, таких как высококачественные аудиоплееры, смартфоны и планшеты.

Усилители

класса AB преимущественно монополизируют торговлю усилителями мощности звука, поскольку они предлагают адекватный компромисс между линейностью и эффективностью, и они имитируют лучшие усилители класса A по качеству звука. Несмотря на то, что усилители класса A наименее практичны и стоят дороже, они действительно обладают лучшим звуком. В то же время, класс AB потребляет меньше энергии, чем класс A, недорогой и может быть легче, холоднее и меньше.Теоретический максимальный КПД этого класса усилителей составляет примерно 78,5% и имеет гораздо лучшее соотношение, чем теоретический максимальный КПД 25% усилителей класса А. «Реальный» максимальный КПД, вероятно, составит около 70% и зависит от топологии выходного каскада и смещения выходного каскада. В типичных условиях прослушивания (около 30% от полной мощности) КПД усилителя по мощности будет около 35% [12]

Растущие технологии и высокий уровень внедрения этих высококачественных продуктов во всем мире доминируют на рынке усилителей мощности.Целевой аудиторией этого рынка являются в основном производители усилителей, поставщики усилителей, производители и дистрибьюторы смартфонов, производственные компании, производители и поставщики бытовой электроники и, наконец, аудиофилы, сами потребители электронных товаров. Мировой рынок усилителей мощности был оценен в 976 миллионов долларов США в 2015 году, который увеличивается со среднегодовым темпом роста (CAGR) на 16% с 2016 по 2022 год и, по оценкам, вырастет в 2,8 миллиарда долларов США к концу прогнозного периода [21].Тем временем Азиатско-Тихоокеанский регион является лидером рынка с общей долей 63%. Растущая экономика азиатских стран, таких как Китай и Индия, включая устойчивое присутствие обрабатывающей промышленности в регионах Китая и Индонезии, также поддерживает индустрию усилителей мощности [21].

2.2 Целевые приложения

Применение этого высокопроизводительного устройства в обширной электронной промышленности сегодня безгранично. Вклад усилителей класса AB для каждого целевого приложения кратко поясняется ниже;

2.2.1 Головка и агрегаты автомобильные

Рисунок 2‑1: Головное устройство

Рисунок 2‑2: Блок в багажнике

Усилители

класса AB обладают лучшими в своем классе характеристиками, особенно для автомобильных запчастей, в первую очередь для автомобильных радиоприемников (головные устройства) и многоканальных звуковых систем (в багажнике). Эти детали обычно продаются производителями оригинального оборудования (OEM) и автомобильным послепродажным обслуживанием. В Соединенных Штатах продажи через Интернет и послепродажные автомобильные аксессуары продемонстрировали рост по сравнению с аналогичным периодом прошлого года по сравнению с обычными магазинами из кирпича и строительного раствора.Фактически, согласно Hedges & Company, «Продажи автозапчастей и аксессуаров продолжали расти в 2016 году и сохранят тенденцию в 2017 году, достигнув 8,9 миллиарда долларов США, что на 16% больше, чем в 2016 году [20].

2.2.2 Автомобильное активное шумоподавление

Рисунок 2‑3: Расположение активного шумоподавителя

Рисунок 2‑4: Процесс активного шумоподавления

Активное шумоподавление (ANC) изобретено для эффективного снижения низкочастотного шума в салоне автомобиля.Независимо от того, включается или выключается аудиосистема, работа системы не нарушится при любом движении автомобиля [23].

Низкая частота трансмиссии (система в транспортном средстве, которая соединяет передачу с ведущими осями), входящие в салон, улавливаются двумя микрофонами в зоне кабины, и сигнал передается на блок ANC. Затем блок управления генерирует точно синхронизированный звуковой сигнал с обращенной фазой, прежде чем подать его на усилитель.Дверные динамики и сабвуфер, расположенные на задней полке, получают питание от усилителя. Как следствие, происходит заметное снижение уровня внешнего шума, такого как звук двигателя.

2.2.3 Система домашнего кинотеатра

Рисунок 2‑5: Типичная система домашнего кинотеатра

Домашний кинотеатр — это развлекательная система, состоящая из комбинации телевизора любого типа с видеокомпонентами и аудиосистемой, обеспечивающей объемный звук с многочисленными динамиками.Домашние кинотеатры обычно создаются для имитации качества просмотра медиафайлов в кинотеатрах и предназначены для большинства людей, которые сегодня, очевидно, предпочитают играть в свои видеоигры и мелодии, а также смотреть свои любимые фильмы, телешоу и сериалы в комфорте своих частных резиденций. . Стоимость установки домашнего кинотеатра, состоящего из светодиодного телевизора, кабельного телевидения и аудиоустройства, оценивается как минимальная стоимость в 199 долларов США и в среднем составляет около 1 300 долларов США в зависимости от потребностей потребителей.И наоборот, система премиум-класса с калибровкой телевизора, нестандартной мебелью, аудиосистемой и стойками для колонок, среди прочего, может стоить до 16 500 долларов США.

2.2.4 Система звукоусиления (SR)

Рисунок 2‑6: Система SR, обычно используемая в живых выступлениях

Система из микрофонов, сигнальных процессоров, усилителей и громкоговорителей, установленных вместе в корпусах громкоговорителей, называется системой звукоусиления. Система SR питается и управляется звуковой микшерной панелью, которая улучшает и модифицирует звуки, делает живые или предварительно записанные звуки громче и четче и широко используется во время огромных концертов и живых выступлений для распространения этих звуков на более крупные или изолированные или удаленные объекты. аудитория.Например, человек, выступающий на сцене, может быть плохо слышен в задней части большого зала. Звуковая система может использоваться, чтобы сделать звук более отчетливым и улучшить слуховые способности людей. В этом случае цель состоит в том, чтобы голос в задней части зала звучал так же громко (не громче), как если бы его слышали с близкого расстояния. В художественных целях усиление звуковой системой дает аудитории более грандиозное музыкальное воздействие, заставляя ее казаться «больше, чем жизнь».

2.2.5 Система громкой связи (PA)

Рисунок 2-7: Оборудование системы громкой связи

Система оповещения

позволяет одному человеку общаться с толпой людей и широко используется для объявлений в общественных, институциональных и коммерческих зданиях и местах, например университетах, церквях, спортивных аренах и огромных пассажирских самолетах.Система громкой связи помогает людям слышать звуки в изолированных местах, таких как семинары или собрания, которые иногда собирают больше людей, чем вместимость конференц-зала. Таким образом, избыточная толпа может слышать речи и обсуждения во второй комнате. Система звукоусиления и система оповещения могут использовать определенные идентичные компоненты, но с разными целевыми приложениями. Система SR предназначена для живого искусства или музыкального исполнения, тогда как система PA в первую очередь предназначена для воспроизведения речи.

2.2.6 Портативные и домашние док-станции

Рисунок 2-8: Портативная и домашняя док-станция

Док-станция для аудио — идеальный выбор для аудиофилов для воспроизведения своей цифровой музыкальной коллекции, поскольку она позволяет воспроизводить музыку с электронных устройств, таких как смартфоны, iPod и mp3-плееры, помимо зарядки аккумулятора устройства. Базовая автономная док-станция стоит недорого по сравнению с аналогами, что делает их идеальным выбором для людей с ограниченным бюджетом с ценами от 10 до 40 фунтов стерлингов.Соответственно, они часто идеально подходят для путешествий или для людей, которые хотят слушать музыку на улице, поскольку они склонны иметь высокую мобильность и возможность выбора заряда аккумулятора или Bluetooth. Между тем, комбинированные доки могут варьироваться от 20 до 200 фунтов стерлингов. В настоящее время устаревшие громоздкие системы Hi-Fi театра постепенно заменяются этим удобным продуктом в домашнем хозяйстве из-за их легкости, миниатюрных размеров и множества функций.

В связи с постоянно растущими требованиями и требованиями к производительности на рынке аудио существует множество других целевых приложений, а также бесчисленные достижения в топологиях аудиоусилителей [10].Как и во всех аудиосистемах, для получения непревзойденных характеристик системы требуется огромное внимание ко всем аспектам усилителей класса AB. Очень маловероятно, что энтузиасты Hi-Fi исчезнут в будущем, поскольку они действительно являются существующим братством, которое склонно вкладывать значительные средства в создание отличительного опыта у себя дома, на работе или в автомобиле. Следовательно, знание классов звуковых усилителей, доступных на рынке, и функций, связанных с каждым из них, имеет решающее значение при выборе лучшего звукового усилителя для надлежащего применения [18, 10].

В этой главе подробно описывается архитектура базового усилителя мощности класса AB. Первоначально обсуждается несколько материалов, касающихся транзисторов, и проводится прямой анализ основных принципов построения блоков, которые неизбежно используются при построении всей схемы усилителя. Постепенно создается прочная основа для всестороннего изучения простого усилителя, по которому идет след. Затем в главе 4 мы переходим к рассмотрению конструкции усилителя, где конструкция совершенствуется и оценивается по мере улучшения ее характеристик.Конструктивные соображения жизненно важны для обеспечения непревзойденной производительности усилителя. Основные характеристики производительности обсуждаются ниже;

3.1 Выходная мощность

Каждое выходное устройство имеет предел устойчивости к тепловому рассеянию. Эта предельная точка, когда устройство не может выдерживать тепло, определяется как выходная мощность. Максимальная выходная мощность обычно оценивается при нагрузке на громкоговорители 8 и 4, которые часто используются в приложениях Hi-Fi.Когда определенное напряжение подается на нагрузку 4, генерируется двойной ток. Следовательно, и выходная мощность увеличивается вдвое.

3.2 Биполярный переходной транзистор (BJT)

Рисунок 3‑1: Биполярные переходные транзисторы

Самым ярким примером активного компонента является транзистор. Это устройство усиливает и генерирует выходной сигнал с большей мощностью, чем входной. Дополнительная мощность поступает от внешнего источника питания.Ключевым компонентом практически всех усилителей мощности звука, представленных сегодня на рынке, является биполярный переходной транзистор (BJT). В этом разделе кратко объясняются адекватные знания о характеристиках схем транзисторного усилителя и его ограничениях.

3.3 Кроссовер искажений

Рисунок 3‑2: Разделительные искажения усилителя класса B

Дополнительные транзисторы NPN и PNP отключаются, когда базовое напряжение постоянного тока становится равным нулю.Одновременно требуется, чтобы напряжение входного сигнала превысило напряжение базового эмиттера, V BE , прежде чем какой-либо транзистор по очереди проведет свои сигналы положительного и отрицательного цикла. Основная причина, по которой это искажение обычно возникает в усилителе класса B, заключается в наличии временного промежутка между положительным и отрицательным циклами входного сигнала каждый раз, когда транзисторы выключены, как показано на рисунке 3-1 выше. Из-за этого возникает кроссоверное искажение.

3.4 Смещение усилителя класса AB

В целях устранения перекрестных искажений вводится усилитель класса AB, а смещение регулируется таким образом, чтобы оно превышало напряжение базового эмиттера V BE комплементарных транзисторов в этом типе усилителя. Усилитель класса AB создается путем смещения напряжения обоих переключающих транзисторов до слабой проводимости в обычном двухтактном каскадном усилителе класса B, независимо от того, присутствует ли входной сигнал. Проводимость обоих транзисторов одновременно гарантируется минимальным смещением.Мертвая зона от 0,6 до 0,7 В, которая создается при возникновении кроссоверных искажений в усилителях класса B, значительно уменьшается за счет применения приемлемого смещения. Доступны несколько методов предварительного смещения транзисторных устройств, таких как реализация схемы делителя напряжения, токового зеркала (последовательно соединенных диодных устройств) и предварительно установленного смещения напряжения. Таким образом, усилитель класса AB в основном заключен как усилитель класса B с «смещением».

Прямое смещение — это транзисторы с диодным соединением, идентичные транзисторам NPN и PNP.Они образуют зеркала с токами покоя I Q , задаваемыми согласованными резисторами, которые обычно называют токовыми зеркалами. В этой схеме характеристики диода и транзисторного перехода эмиттер-база близко совпадают, поэтому ток в диодах и транзисторе равен. В цепи смещения оба резистора имеют одинаковое значение.

Здесь обсуждаются конструктивные особенности усилителя класса AB. Проведен исследовательский анализ и выбрано несколько подходящих схемотехнических решений.

4.1 Смещение резистора

На основании рисунка ниже в схеме используется пара дополнительных (NPN и PNP) транзисторов. Выбранные транзисторы: 2N3904 NPN с максимальным напряжением коллектор-эмиттер, V CEO 40 В и 2N3906 PNP с аналогичным максимальным значением V CEO 40 В. Эта схема питается от напряжения питания CC В 9 В, а полное сопротивление динамика Z L составляет 8. Транзистор NPN смещен немного выше нуля.Барьерный потенциал 7 В резисторами R 1 и R 2 . Транзистор PNP смещен резисторами R 3 и R 4 соответственно, как транзистор NPN. Резисторы R 1 , R 2 , R 3 и R 4 идентифицируются как резисторы смещения, а резистор R L является нагрузочным резистором номиналом 1 кОм. В этой конструкции реализованы входные конденсаторы связи C 2 и C 3 , включая выходной конденсатор связи C 4 .Выполняется несколько симуляций схем, и полученная форма выходного сигнала отображается ниже;

Рисунок 4‑1: Усилитель класса AB с резистивным смещением

4.1.1 Рабочая точка

Переход база-эмиттер двух дополнительных транзисторов слегка смещен в прямом направлении. Ожидается, что точка покоя будет немного выше порога отсечки V CE . Точка Q показана на Рисунке 3-1 ниже.

Рисунок 4‑2: Отсечка точки Q класса AB

Значение напряжения точки Q, В CEQ , вдвое уменьшает напряжение источника питания, В CC .Ток насыщения I C (sat) рассчитывается путем деления V CEQ на R L . Транзисторы имеют прямое смещение с током точки Q, I CQ , который, по оценкам, составляет от 1% до 5% от I C (sat) .

4.1.2 Резисторы смещения

На основе схемы, представленной на рисунке, значения резистора получены путем выполнения расчетов, как показано ниже;

Предположим, R = 1 = 2 = 3 = 4 ,

2 × Ibias × R = VCC

Где

R = VCC2 × Ibias

Так как I смещение = I CQ ,

R = VCC2 × ICQ

R = 0.25 × VCCICQ

Предположим, что I CQ = 0,04I C (насыщ.) , затем

R = 0,25 × VCC0,04 × IC (насыщ.)

Так как V CEQ = V CC /2 и I C (нас.) = V CEQ / R L ,

IC (насыщенный) = VCC2 × RL

Подставьте I C (sat) в уравнение R, чтобы получить

IC (насыщ.) = 0,25 × 2 × RL0,04

Так как R L = 1 k, то

R = 0,5 × 10000,04 = 12500  = 12,5 кг

Итак, R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 12.5 к

Значение резисторов смещения получено для преодоления барьерного потенциала 0,7 В. Впоследствии добавляются входные и выходные резисторы связи. Это необходимо для обеспечения прохождения входного сигнала с частотой 1 кГц от базы транзисторов к каскаду усилителя и, наконец, до выходного каскада R L .

4.1.3 Входная мощность

Формула для входной мощности переменного тока, P в ;

Pin = Vin (пик-пик) 2ZL × Zin (этап)

Сигнал положительного цикла NPN-транзистора, Z в (каскаде) ;

Zinstage = R1 || R2 || Zinbase

Где

Цин (основание) = β × RL

Цин (основание) = 170 × 1 k = 170 k

Отсюда

Цин (стадия) = 12.5 к || 12,5 к || 170 к = 6 к

Поскольку имеется два входных каскада NPN и PNP,

Zin EQ (стадия) = Zin (стадия) 2 = 6 k2 = 3 k

Подставьте V в = 2 В, Z в EQ (ступень) = 3 кОм и Z L = 8  в уравнение входной мощности, P в , чтобы получить

Pin = Vin (пик-пик) 2ZL × Zin (ступень) = 228 × 3 k = 0,16 мВт

4.1.4 Выходная мощность

Формула для выходной мощности переменного тока, P out ;

Pout = Vout (пик-пик) 2ZL × RL228 × 1 k = 0.5 мВт

4.1.5 Коэффициент усиления

Формула усиления мощности, A P ;

AP = PoutPin = 0,5 м 0,16 м = 3

4.1.6 Максимальная выходная мощность

Формула максимальной выходной мощности P out (max) ;

Pout (макс.) = VCC2ZL × RL = 928 × 1 k = 10 мВт

4.1.7 Энергоэффективность

Формула энергоэффективности,;

КПД, η = Pout (макс.) PDC × 100%

Величина мощности постоянного тока, P DC ;

PDC = VCC × IDC

Где

IDC = Ibias + IC (сб.) Π

IDC = Ibias + IC (сб.) Π

Подставьте I C (sat) = V CC / (2R L ) в уравнение I DC , чтобы получить

IDC = Ibias + VCC2 × RL × π = 0.18 м + 92 × 1 k × π = 0,18 м + 1,43 м = 1,61 мА

Следовательно,

PDC = 9 × 1,61 м = 14,5 мВт

Начиная с максимальной выходной мощности, P out (max) = 10 мВт, а P DC = 14,5 мВт, таким образом,

КПД, η = Pout (макс.) PDC × 100% = КПД = 10 м 14,5 м × 100% = 68,96%

С учетом всех вышеперечисленных расчетов усилитель класса AB разработан и доведен до стадии производства.

4.2 Усилитель класса AB со смещающими диодами

На основании рисунка ниже в схеме заменена пара диодов в качестве улучшения и более подходящей альтернативы, чем два простых резистора в качестве ступени смещения.Диоды обычно лучше справляются с изменением температуры, когда дополнительные транзисторы смещены незначительно за пределы области отсечки.

Рисунок 4‑3: Усилитель класса AB с диодным смещением

На приведенной выше принципиальной схеме показано сходство с предыдущей конструкцией с дополнительными транзисторами NPN 2N3904 и PNP 2N3906. Однако каскад смещения заменен двумя обычно используемыми малосигнальными быстросменными диодами 1N4448. Эти диоды включены последовательно вместе с двумя резисторами смещения R 1 и R 4 .Выходной каскад оснащен нагрузочным резистором R L номиналом 8 Ом. Подключен сигнал переменного тока частотой 1 кГц с размахом пик-пик 100 мВ, который обеспечивается генератором сигналов, доступным в лаборатории.

Резисторы

R 1 и R 4 рассчитываются для определения соответствующего значения смещения транзисторов. Расчеты должны быть проще, если предполагается, что оба резистора имеют одинаковые номиналы.

4.2.1 Резисторы смещения

Предположим, что R = 1 = 4 , затем

VCC = (2 × RIbias) + (2 × VBE)

R = VCC- (2 × VBE) 2 × Ibias

Где ток смещения I bias , протекающий через диоды и резисторы, равен I CQ (ток коллектора точки Q), а напряжение база-эмиттер V BE транзистора равно 0.7 В.

В данном случае доступны два резистора и два транзистора. Перекрестные искажения, обычно возникающие в усилителе класса B, уменьшаются путем настройки I CQ примерно от 1% до 5% от I C (sat) .

Предположим, что смещение I = I CQ = 0,02 I C (насыщ.) , где I C (насыщ.) = V CC / (2R L )

Подставьте V CC = 9 В и R L = 8  в уравнение I C (sat) , чтобы получить

IC (насыщ.) = VCC2 × RL = 92 × 8 = 0.56 А

Если I C (sat) = 0,56 A, то

Ibias = ICQ = 0,02 × IC (насыщ.) = 0,02 × 0,56 = 11,2 мА

Отсюда

R1 = R4 = R = VCC- (2 × VBE) 2 × Ibias = 9- (2 × 0,7) 2 × 11,2 м = 7,622,4 м = 340 

В конструкцию усилителя помещены оба резистора на 340 Ом. Значения входных и выходных конденсаторов связи оцениваются путем определения значений входного импеданса Z IN и выходного сопротивления Z OUT . Наличие кроссоверных искажений в выходном сигнале наблюдается при подключении усилителя к осциллографу.Экран дисплея прибора показан на Рисунке 3-4 ниже;

Рисунок 4‑4: Моделирование выходного сигнала LTSpice

Для достижения ожидаемых результатов выполняется несколько подходов. В этой главе указаны инструменты и материалы, необходимые для проектирования схемы и испытаний.

Необходимые лабораторные приборы и электронные компоненты:

  • Блок питания
  • Цифровой мультиметр
  • Генератор функциональных сигналов
  • Осциллограф
  • Макетная плата
  • Зажимы под крокодил
  • Проволочные перемычки
  • 8  Динамик
  • Радиатор
  • 1N4148 Диоды
  • 1 NPN Q2N3904 Транзистор
  • 1 PNP Q2N3906 Транзистор
  • Многозначные резисторы
  • Многозначные конденсаторы

Процедура:

Рисунок 6-1: LTspice Моделирование опорного тока, Iref

На рисунке 6-1 выше показано напряжение база-эмиттер.V BE транзистора NPN (положительный полупериод) и транзистора PNP (отрицательный полупериод) составляет соответственно 0,7 В.

Рисунок 6‑2: Моделирование LTSpice положительного и отрицательного бокового сигнала

Рисунок 6‑3: Моделирование LTSpice входного аудиосигнала по сравнению с выходным сигналом

Усиление сигнала неудачно, как показано на Рисунке 6-3 выше. При подключении к 8-дюймовому динамику отображается обрезка, и аудиовыход не слышен.

Обзор различных классов усилителей звука, часто используемых в современных конструкциях, кратко описан в этом отчете.В целях разработки усилителя с низким уровнем искажений конфигурации класса A вместе с высокоэффективным выходом конфигурации класса B необходимо построить схему усилителя, которая представляет собой комбинацию двух предыдущих классов. Многие схемы стимуляции выполняются с использованием программ PSpice и LTSpice для оценки производительности нескольких схем. В этом проекте безуспешно работает усилитель. Ожидаемые результаты не достигаются и согласуются с симуляцией схем на LT Spice.Отсутствует звук на выходе, когда усилитель подключен к динамику с сопротивлением 8 Ом. Первоначально предполагается, что проект будет эффективно продвигаться в соответствии с графиком. Однако на разных этапах проекта возникает несколько неожиданных проблем и задержек. Недостаток понимания основных принципов работы транзисторов, топологии класса AB, включая правильное использование основных лабораторных приборов, являются основными причинами провала проекта. Много времени тратится на поиск подходящих конструкций из бесчисленных материалов для чтения и ресурсов, доступных для наиболее эффективной схемы.Выявлены ошибки в проектных расчетах, поэтому этап строительства усилителя откладывается. Дополнительные исследования простых схемных расчетов и переоценки проектных соображений, моделирования схем и испытаний должны были быть выполнены, чтобы укрепить индивидуальное понимание основной области этого проекта. Тем не менее, область для улучшения технических характеристик усилителя постоянно доступна в наличии бесчисленных справочников и онлайн-материалов, которые во всем мире обогащают образ жизни потребителей сегодня.Очевидно, необходимо уделить внимание выбору топологии аудиоусилителя, подходящей для приложения, при проектировании звуковой схемы для любого типа устройства.

Книги

[1] Дж. Дуайт, «Транзисторные усилители звука». США: John Wiley & Sons, Inc., 1968, ISBN 047144720X

[2] С. Дуглас, «Аудио усилитель мощности и руководство по проектированию». Оксфорд, Великобритания: Newnes, 2006, ISBN 9780750680721

[3] К. Боб, «Проектирование усилителей мощности звука». США: McGraw Hill, 2011, ISBN 9780071640251

[4] Г.Стэн, «Руководство для начинающих по чтению схем». США: McGraw Hill, 2014, ISBN 9780071827799

.

[5] Л. Микко, «Проектирование и компенсация высокопроизводительных усилителей класса AB». Оулу, Финляндия: Acta Univ. Оул. C 356, 2010, ISBN 9789514261763

[6] Дж. Морган, «Клапанные усилители». Оксфорд, Великобритания: Newnes, 2012, ISBN 9780080966403

[7] П. Горовиц, В. Хилл, «Искусство электроники». Нью-Йорк, США: Cambridge University Press, 2015, ISBN 9780521809269

Периодические и научные журналы Статьи

[8] Т.Фанг, Л. Шипинг, В. Бо, «Усилитель мощности звука класса AB с динамической компенсацией крутизны в процессе 55 нм CMOS», Cir.Sys. том 67, вып. 9, сентябрь 2016 г., DOI 10.1109 / TCSI.2016.2586199

[9] А. Кемп, «Практическая сторона переключения звуковых усилителей мощности», Материалы Международной конференции по ИС, Тайбэй, июнь 1999 г.

[10] Д. Яапари, «Предварительный отчет: проектирование и создание усилителя класса AB», Проект последнего года Ливерпульского университета, 2016 г.

Интернет-материалы

[11] AspenCore Inc.(2016) Электронные учебники [онлайн]. Доступно: http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/class-ab-amplifier.html (по состоянию на 26 сентября)

[12] К. Эрик. Узнайте об электронике [онлайн]. Доступно: http://www.learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers10.php (по состоянию на 26 сентября)

[13] Р. Тони. Учебник по транзисторам [онлайн]. Доступно: http://www.sentex.ca/~mec1995/tutorial/xtor/xtor4/xtor4.html (по состоянию на 26 сентября 2016 г.)

[14] С. Дин.(2011, август) Hack A Week: DIY Projects [онлайн]. Доступно: http://hackaweek.com/hacks/?p=332 (по состоянию на 26 сентября 2016 г.)

[15] Пенсильванский университет. (Ноябрь 2012 г.) Введение в микроэлектронику [онлайн]. Доступно: http://www.seas.upenn.edu/~ese319/Lecture_Notes/Lec_22_ClassAB_Amplifier_12.pdf (по состоянию на 3 октября 2016 г.)

[16] Н. Роберт. (2015) Максим Интегрированный [онлайн]. Доступно: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5590 (по состоянию на 12 октября 2016 г.)

[17] Технологический университет.Усилители мощности [онлайн]. Доступно: http://www.uotechnology.edu.iq/dep-eee/lectures/3rd/Electronic/Analog%20electronic/5.pdf (по состоянию на 12 октября)

[18] S. Neil. (Июль 2012 г.) Pro Sound Web [онлайн]. Доступно: http://www.prosoundweb.com/article/an_early_history_of_modern_power_amplifiers/studyhall (по состоянию на 12 октября 2016 г.)

[19] B. Neidorff. Окончательный центр обучения и ресурсов [онлайн]. Доступно: http://stason.org/TULARC/entertainment/audio/general/11-18-What-is-Amplifier-Class-A-What-is-Class-B-What-is-Cl.html # ixzz4dwZg2mOE (по состоянию на 15 апреля 2017 г.)

[20] NXP Semiconductors. Класс AB (автомобильное радио) [онлайн]. Доступно: http://www.nxp.com/products/media-and-audio-processing/audio-amplifiers/class-ab-car-radio:MC_55974 (по состоянию на 15 апреля 2017 г.)

[21] Mouser Electronics. Аудио приложения [онлайн]. http://www.mouser.co.uk/applications/audio-amplifier-selection/

(по состоянию на 15 апреля 2017 г.)

[22] Hedges Company. Маркетинг автозапчастей: продажи запчастей через Интернет достигают 8 долларов.