В электронике классы усилителей мощности — это буквенные обозначения, применяемые к различным типам усилителей мощности . Класс дает общее представление о характеристиках и производительности усилителя . Первые три класса связаны с периодом времени, в течение которого активное усилительное устройство пропускает ток, выраженным в виде доли периода формы сигнала, подаваемого на вход. Эта метрика известна как угол проводимости (θ). Усилитель класса A проводит в течение всего периода сигнала (θ = 360°); класс B — только в течение половины периода входного сигнала (θ = 180°), класс C — гораздо меньше половины периода входного сигнала (θ < 180°). Усилители класса D работают со своим выходным устройством в режиме переключения; доля времени, в течение которого устройство проводит ток, может быть скорректирована, чтобы можно было получить выход широтно-импульсной модуляции (или другую частотную модуляцию) со стадии.
Дополнительные буквенные классы определяются для усилителей специального назначения с дополнительными активными элементами, усовершенствованиями источника питания или настройкой выходного сигнала; иногда производитель также использует новый буквенный символ для продвижения своей фирменной разработки.
К декабрю 2010 года классы AB и D доминировали почти на всем рынке аудиоусилителей, причем первый был предпочтительнее в портативных музыкальных плеерах, домашних аудиосистемах и сотовых телефонах из-за более низкой стоимости чипов класса AB. [1]
Схемы усилителей мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для линейных конструкций и классы D и E для коммутационных конструкций. Классы, как правило, основаны на пропорции каждого входного цикла (угол проводимости), в течение которого усиливающее устройство пропускает ток. [2] Изображение угла проводимости получается из усиления синусоидального сигнала. Если устройство всегда включено, угол проводимости составляет 360°. Если оно включено только половину каждого цикла, угол составляет 180°. Угол потока тесно связан с эффективностью мощности усилителя .
На рисунках ниже в качестве усилительного устройства показан биполярный транзистор . Однако те же атрибуты можно обнаружить у МОП-транзисторов или вакуумных ламп .
В усилителе класса А используется 100% входного сигнала (угол проводимости θ = 360°). Активный элемент остается проводящим [3] все время.
Усилительные устройства, работающие в классе A, работают во всем диапазоне входного цикла. Усилитель класса A отличается тем, что выходные каскады смещены для работы класса A. Подкласс A2 иногда используется для обозначения каскадов класса A на электронных лампах, которые слегка повышают сетку на пиках сигнала для немного большей мощности, чем обычный класс A (A1; где сетка всегда отрицательна [4] [5] ). Однако это влечет за собой более высокие искажения сигнала [ необходима ссылка ] . Поскольку транзисторы, смещенные для класса A, по сути, всегда имеют сток-ток, их эффективность низкая, и в транзисторе выделяется тепло.
Конструкции усилителей мощности класса A в значительной степени были заменены более эффективными конструкциями, хотя их простота делает их популярными среди некоторых любителей. Существует рынок дорогих высококачественных усилителей класса A, считающихся «культовым предметом» среди аудиофилов [8], в основном из-за отсутствия искажений кроссовера и снижения искажений нечетных гармоник и гармоник высокого порядка . Усилители мощности класса A также используются в некоторых «бутиковых» гитарных усилителях из-за их уникального тонального качества и для воспроизведения винтажных тонов.
Некоторые любители, предпочитающие усилители класса А, также предпочитают использовать конструкции на термоэлектронных лампах (трубках) вместо транзисторов по нескольким причинам:
Транзисторы намного дешевле ламп, поэтому более сложные конструкции, использующие больше деталей, все равно дешевле в производстве, чем ламповые конструкции. Классическим применением для пары устройств класса A является пара с длинным хвостом , которая исключительно линейна и составляет основу многих более сложных схем, включая многие аудиоусилители и почти все операционные усилители .
Усилители класса A могут использоваться в выходных каскадах операционных усилителей [11] (хотя точность смещения в недорогих операционных усилителях, таких как «741», может привести к производительности класса A, класса AB или класса B, варьирующейся от устройства к устройству или в зависимости от температуры). Иногда они используются как усилители мощности звука средней мощности, с низкой эффективностью и высокой стоимостью. Потребляемая мощность не связана с выходной мощностью. В режиме ожидания (без входа) потребляемая мощность по сути такая же, как и при высокой выходной громкости. Результатом является низкая эффективность и высокое рассеивание тепла.
В усилителе класса B активное устройство проводит ток в течение 180 градусов цикла (угол проводимости θ = 180°). Поскольку усиливается только половина формы волны, в выходном сигнале непосредственно присутствуют значительные гармонические искажения. Поэтому усилители класса B обычно работают с настроенной нагрузкой, где гармоники закорочены на землю серией резонаторов. Другой метод уменьшения искажений, особенно на звуковых частотах, заключается в использовании двух транзисторных устройств в двухтактной конфигурации. Каждое проводит ток в течение половины (180°) цикла сигнала, а токи устройств объединяются таким образом, чтобы ток нагрузки был непрерывным. [12]
На радиочастоте , если связь с нагрузкой осуществляется через настроенную цепь , можно использовать одно устройство, работающее в классе B, поскольку накопленная энергия в настроенной цепи обеспечивает «недостающую» половину формы волны. Устройства, работающие в классе B, используются в линейных усилителях, так называемых, потому что выходная мощность радиочастоты пропорциональна квадрату входного напряжения возбуждения. Это легче понять, если сформулировать так: «выходное напряжение пропорционально входному напряжению, таким образом, выходная мощность пропорциональна входной мощности». Эта характеристика предотвращает искажение амплитудно-модулированных или частотно-модулированных сигналов, проходящих через усилитель. Такие усилители имеют КПД около 60%. [13]
Когда усилители класса B усиливают сигнал с помощью двух активных устройств, каждое из них работает в течение половины цикла. Эффективность намного выше, чем у усилителей класса A. [14] Усилители класса B также предпочтительны в устройствах с батарейным питанием, таких как транзисторные радиоприемники . Класс B имеет максимальную теоретическую эффективность π/4 (≈ 78,5%). [15]
Практическая схема, использующая элементы класса B, — это двухтактный каскад , например, очень упрощенная компоновка комплементарной пары, показанная справа. Комплементарные устройства используются для усиления противоположных половин входного сигнала, который затем рекомбинируется на выходе. Такая схема обеспечивает хорошую эффективность, но обычно страдает от недостатка, заключающегося в небольшом несоответствии в области кроссовера — на «стыках» между двумя половинами сигнала, поскольку одно выходное устройство должно взять на себя подачу питания точно в тот момент, когда другое заканчивает. Это называется искажением кроссовера . Улучшение заключается в смещении устройств таким образом, чтобы они не были полностью выключены, когда они не используются. Такой подход называется работой класса AB .
В усилителе класса AB угол проводимости является промежуточным между классами A и B (угол проводимости θ > 180°); каждый из двух активных элементов проводит более половины времени. Класс AB широко считается хорошим компромиссом для усилителей, поскольку многие типы входного сигнала номинально достаточно тихие, чтобы оставаться в области «класса A», где они усиливаются с хорошей точностью, и по определению, если выходят из этой области, будут достаточно большими, так что продукты искажения, типичные для класса B, будут относительно небольшими. Искажения кроссовера можно дополнительно уменьшить, используя отрицательную обратную связь .
В классе AB каждое устройство работает так же, как и в классе B, на половине формы сигнала, но также проводит небольшое количество на другой половине. [16] В результате область, где оба устройства одновременно почти выключены («мертвая зона»), уменьшается. Результатом является то, что при объединении форм сигналов от двух устройств кроссовер значительно минимизируется или полностью устраняется. Точный выбор тока покоя (постоянный ток через оба устройства при отсутствии сигнала) имеет большое значение для уровня искажений (и для риска теплового разгона , который может повредить устройства). Часто напряжение смещения, применяемое для установки этого тока покоя, должно быть скорректировано с учетом температуры выходных транзисторов. (Например, в схеме, показанной справа, диоды будут установлены физически близко к выходным транзисторам и указаны с согласованным температурным коэффициентом.) Другой подход (часто используемый с термически отслеживаемыми напряжениями смещения) заключается во включении резисторов малого номинала последовательно с эмиттерами.
Класс AB жертвует некоторой эффективностью по сравнению с классом B в пользу линейности, поэтому он менее эффективен (обычно ниже 78,5% для синусоидальных волн полной амплитуды в транзисторных усилителях; гораздо меньше распространено в ламповых усилителях класса AB). Обычно он намного эффективнее класса A.
Конструкция усилителя на вакуумной лампе иногда будет иметь дополнительный номер суффикса для класса, например, класс B1. Суффикс 1 указывает, что ток сетки не течет во время какой-либо части входной формы волны, тогда как суффикс 2 указывает, что ток сетки течет для части входной формы волны. Это различие влияет на конструкцию каскадов драйвера для усилителя. Номера суффиксов не используются для полупроводниковых усилителей. [17]
В усилителе класса C используется менее 50% входного сигнала (угол проводимости θ < 180°). Искажения высоки, и практическое использование требует настроенной схемы в качестве нагрузки. Эффективность может достигать 80% в радиочастотных приложениях. [13]
Обычное применение усилителей класса C — в радиочастотных передатчиках, работающих на одной фиксированной несущей частоте , где искажение контролируется настроенной нагрузкой на усилителе. Входной сигнал используется для переключения активного устройства, заставляя импульсы тока проходить через настроенную цепь, образующую часть нагрузки. [18]
Усилитель класса C имеет два режима работы: настроенный и ненастроенный. [19] На схеме показана форма волны от простой схемы класса C без настроенной нагрузки. Это называется ненастроенной работой, и анализ форм волн показывает огромные искажения, которые появляются в сигнале. Когда используется правильная нагрузка (например, индуктивно-емкостный фильтр плюс нагрузочный резистор), происходят две вещи. Во-первых, уровень смещения выхода фиксируется средним выходным напряжением, равным напряжению питания. Вот почему настроенную работу иногда называют фиксатором . Это восстанавливает форму волны до ее правильной формы, несмотря на то, что усилитель имеет только однополярное питание. Это напрямую связано со вторым явлением: форма волны на центральной частоте становится менее искаженной. Остаточное искажение зависит от полосы пропускания настроенной нагрузки, при этом центральная частота испытывает очень мало искажений, но большее затухание по мере удаления от настроенной частоты, на которую попадает сигнал.
Настроенная схема резонирует на одной частоте, фиксированной несущей частоте, и поэтому нежелательные частоты подавляются, а желаемый полный сигнал (синусоидальная волна) извлекается настроенной нагрузкой. Полоса пропускания сигнала усилителя ограничена добротностью настроенной схемы, но это не является серьезным ограничением. Любые остаточные гармоники можно удалить с помощью дополнительного фильтра.
В практических усилителях класса C неизменно используется настроенная нагрузка. В одной из распространенных схем резистор, показанный в схеме выше, заменяется параллельно настроенной схемой, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных параллельно, компоненты которой выбираются для резонанса на частоте входного сигнала. Мощность может быть связана с нагрузкой с помощью трансформаторного действия со вторичной катушкой, намотанной на катушку индуктивности. Среднее напряжение на коллекторе тогда равно напряжению питания, а напряжение сигнала, появляющееся на настроенной схеме, изменяется от почти нуля до почти удвоенного напряжения питания в течение цикла RF. Входная схема смещена таким образом, что активный элемент (например, транзистор) проводит только часть цикла RF, обычно одну треть (120 градусов) или меньше. [20]
Активный элемент проводит только тогда, когда напряжение коллектора проходит через свой минимум. Таким образом, рассеивание мощности в активном устройстве сводится к минимуму, а эффективность увеличивается. В идеале активный элемент должен пропускать только мгновенный импульс тока, пока напряжение на нем равно нулю: тогда он не рассеивает мощность и достигается 100% эффективность. Однако практические устройства имеют ограничение на пиковый ток, который они могут пропускать, и поэтому импульс должен быть расширен примерно до 120 градусов, чтобы получить разумное количество мощности, и тогда эффективность составляет 60–70%. [20]
Усилители класса D используют некоторую форму широтно-импульсной модуляции для управления выходными устройствами. Угол проводимости каждого устройства больше не связан напрямую с входным сигналом, а вместо этого изменяется в зависимости от ширины импульса.
В усилителе класса D активные устройства (транзисторы) функционируют как электронные переключатели, а не как линейные усилители; они либо включены, либо выключены. Аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов, который представляет сигнал с помощью широтно-импульсной модуляции , плотностно-импульсной модуляции , дельта-сигма-модуляции или связанной с ней техники модуляции перед подачей на усилитель. Среднее по времени значение мощности импульсов прямо пропорционально аналоговому сигналу, поэтому после усиления сигнал может быть преобразован обратно в аналоговый сигнал с помощью пассивного фильтра нижних частот . Цель выходного фильтра — сгладить поток импульсов до аналогового сигнала, удалив высокочастотные спектральные компоненты импульсов. Частота выходных импульсов обычно в десять или более раз превышает самую высокую частоту входного сигнала для усиления, так что фильтр может адекватно уменьшить нежелательные гармоники и точно воспроизвести входной сигнал. [21]
Главное преимущество усилителя класса D — это энергоэффективность. Эффективность более 90% достижима с помощью МОП-транзисторов, а >80% встречается довольно часто. Поскольку выходные импульсы имеют фиксированную амплитуду, переключающие элементы (обычно МОП-транзисторы , но также использовались вакуумные трубки и биполярные транзисторы ) полностью включаются или полностью выключаются, а не работают в линейном режиме. МОП-транзистор обычно работает с самым низким сопротивлением в открытом состоянии, когда он полностью включен, и, таким образом (за исключением случаев полного выключения), имеет самую низкую рассеиваемую мощность в этом состоянии. По сравнению с эквивалентным устройством класса AB, более низкие потери усилителя класса D позволяют использовать меньшие радиаторы для МОП-транзисторов, а также уменьшают количество требуемой входной мощности, что позволяет использовать конструкцию источника питания с меньшей емкостью. Поэтому усилители класса D, как правило, меньше, чем эквивалентный усилитель класса AB.
Другим преимуществом усилителя класса D является то, что он может работать от цифрового источника сигнала без необходимости в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) для предварительного преобразования сигнала в аналоговую форму. Если источник сигнала находится в цифровой форме, например, в цифровом медиаплеере или звуковой карте компьютера , цифровая схема может преобразовать двоичный цифровой сигнал непосредственно в сигнал широтно-импульсной модуляции , который подается на усилитель, что значительно упрощает схему и снижает вероятность проникновения шума.
Усилитель класса D с умеренной выходной мощностью может быть построен с использованием обычного логического процесса CMOS, что делает его пригодным для интеграции с другими типами цифровых схем. Таким образом, он обычно встречается в системах на кристаллах с интегрированным аудио, когда усилитель делит кристалл с основным процессором или DSP.
Хотя усилители класса D широко используются для управления двигателями , они также используются в качестве усилителей мощности. Хотя, если сигнал не находится в импульсно-модулированном формате до усиления, его сначала необходимо преобразовать, что может потребовать дополнительных схем. Импульсные источники питания даже были модифицированы в грубые усилители класса D (хотя обычно они воспроизводят только низкие частоты с приемлемой точностью).
Высококачественные усилители мощности звука класса D легко доступны на рынке. Динамический диапазон 118 дБ в высококачественном потребительском продукте был замечен в 2009 году. Однако большинство из них остаются ближе к динамическому диапазону 100 дБ в настоящее время [2022] из-за практических соображений стоимости. Говорят, что эти конструкции конкурируют с традиционными усилителями классов A и AB с точки зрения качества. Раннее использование усилителей класса D было мощными усилителями сабвуферов в автомобилях. Поскольку сабвуферы, как правило, ограничены полосой пропускания не выше 150 Гц, скорость переключения для усилителя не должна быть такой же высокой, как для усилителя полного диапазона, что позволяет упростить конструкции. Усилители класса D для управления сабвуферами относительно недороги по сравнению с усилителями класса AB.
Буква D , используемая для обозначения этого класса усилителя, является просто следующей буквой после C и, хотя иногда используется как таковая, не означает цифровой . Усилители класса D и класса E иногда ошибочно описываются как «цифровые», поскольку выходная форма сигнала внешне напоминает последовательность импульсов цифровых символов, но усилитель класса D просто преобразует входную форму сигнала в непрерывный широтно-импульсно модулированный аналоговый сигнал. (Цифровая форма сигнала будет модулирована импульсно-кодово .)
Другие классы усилителей в основном являются вариациями предыдущих классов. Например, усилители класса G и класса H отмечены изменением шин питания (дискретными шагами или непрерывным образом, соответственно) вслед за входным сигналом. Потери тепла на выходных устройствах могут быть уменьшены, поскольку избыточное напряжение сведено к минимуму. Усилитель, который питается от этих шин, сам по себе может быть любого класса. Эти виды усилителей более сложны и в основном используются для специализированных приложений, таких как очень мощные блоки. Кроме того, усилители класса E и класса F обычно описываются в литературе для радиочастотных приложений, где важна эффективность традиционных классов, но несколько аспектов существенно отклоняются от их идеальных значений. Эти классы используют гармоническую настройку своих выходных цепей для достижения более высокой эффективности и могут считаться подмножеством класса C из-за их характеристик угла проводимости.
Усилитель класса E — это высокоэффективный настроенный импульсный усилитель мощности, используемый на радиочастотах. Он использует однополюсный переключающий элемент и настроенную реактивную сеть между переключателем и нагрузкой. Схема достигает высокой эффективности, работая только с переключающим элементом в точках нулевого тока (переключение из включенного состояния в выключенное) или нулевого напряжения (переключение из выключенного состояния в включенное), что минимизирует потери мощности в переключателе, даже когда время переключения устройств велико по сравнению с рабочей частотой. [22]
Часто упоминается, что усилитель класса E впервые был описан в 1975 году. [23] Однако полное описание работы класса E можно найти в докторской диссертации Джеральда Д. Юинга 1964 года. [24] Интересно, что аналитические расчетные уравнения стали известны лишь недавно. [25]
В двухтактных усилителях и в КМОП четные гармоники обоих транзисторов просто отменяют друг друга. Эксперимент показывает, что эти усилители могут генерировать прямоугольную волну . Теоретически прямоугольные волны состоят только из нечетных гармоник. В усилителе класса D выходной фильтр блокирует все гармоники; т. е. гармоники видят открытую нагрузку. Поэтому даже небольших токов в гармониках достаточно для генерации прямоугольной волны напряжения. Ток находится в фазе с напряжением, приложенным к фильтру, но напряжение на транзисторах не совпадает по фазе. Поэтому существует минимальное перекрытие между током через транзисторы и напряжением на транзисторах. Чем острее края, тем меньше перекрытие.
В то время как в классе D транзисторы и нагрузка существуют как два отдельных модуля, класс F допускает несовершенства, такие как паразитные свойства транзистора, и пытается оптимизировать глобальную систему, чтобы иметь высокий импеданс на гармониках. [26] Конечно, должно быть конечное напряжение на транзисторе, чтобы протолкнуть ток через сопротивление в открытом состоянии. Поскольку объединенный ток через оба транзистора в основном находится в первой гармонике, он выглядит как синус. Это означает, что в середине квадрата должен протекать максимум тока, поэтому может иметь смысл иметь провал в квадрате или, другими словами, допускать некоторый перепад прямоугольной волны напряжения. Сеть нагрузки класса F по определению должна передавать ниже частоты среза и отражать выше.
Любая частота, лежащая ниже среза и имеющая свою вторую гармонику выше среза, может быть усилена, то есть полоса пропускания октавы. С другой стороны, индуктивно-емкостная последовательная цепь с большой индуктивностью и настраиваемой емкостью может быть проще в реализации. Уменьшая рабочий цикл ниже 0,5, можно модулировать выходную амплитуду. Прямоугольная форма напряжения ухудшается, но любой перегрев компенсируется более низкой общей мощностью потока. Любое несоответствие нагрузки за фильтром может действовать только на первую гармоническую форму тока, очевидно, что только чисто резистивная нагрузка имеет смысл, затем, чем ниже сопротивление, тем выше ток.
Класс F может управляться синусоидой или квадратной волной, для синуса вход может быть настроен индуктором для увеличения усиления. Если класс F реализован с одним транзистором, фильтр усложняется для закорачивания четных гармоник. Все предыдущие конструкции использовали острые края для минимизации перекрытия.
Существует множество конструкций усилителей, которые улучшают выходные каскады класса AB с помощью более эффективных методов для достижения большей эффективности с низким искажением. Такие конструкции распространены в больших аудиоусилителях, поскольку радиаторы и силовые трансформаторы были бы непомерно большими (и дорогими) без повышения эффективности. Термины «класс G» и «класс H» используются взаимозаменяемо для обозначения различных конструкций, различаясь в определении от одного производителя или документа к другому.
Усилители класса G (которые используют «переключение шин» для снижения энергопотребления и повышения эффективности) более эффективны, чем усилители класса AB. Эти усилители обеспечивают несколько шин питания с различным напряжением и переключаются между ними по мере приближения выходного сигнала к каждому уровню. Таким образом, усилитель повышает эффективность за счет снижения бесполезной мощности на выходных транзисторах. Усилители класса G более эффективны, чем класс AB, но менее эффективны по сравнению с классом D, однако они не имеют эффектов электромагнитных помех класса D.
Усилители класса H создают бесконечно регулируемую (аналоговую) шину питания. Иногда их называют рельсовыми трекерами. Это делается путем модуляции шин питания таким образом, чтобы шины были всего на несколько вольт больше, чем выходной сигнал, «отслеживающий» его в любой момент времени. Выходной каскад работает с максимальной эффективностью все время. Это связано со способностью схемы удерживать транзисторы шины (T2 и T4) в состоянии отсечки до тех пор, пока пик музыкального напряжения не достигнет достаточной величины, чтобы потребовать дополнительного напряжения от источников питания + и - 80 В. Обратитесь к схеме. Усилитель класса H на самом деле можно рассматривать как два усилителя, соединенных последовательно. В примере схемы, показанном на рисунке, усилители шины +/- 40 В могут непрерывно выдавать около 100 Вт на нагрузку 8 Ом. Если выходной сигнал работает ниже 40 вольт, усилитель имеет только потери, связанные с усилителем мощностью 100 Вт. Это связано с тем, что верхние устройства класса H T2 и T4 используются только тогда, когда выходная мощность музыкального сигнала составляет от 100 до 400 Вт. Ключ к пониманию этой эффективности без подтасовки фактических чисел заключается в том, что у нас есть усилитель мощностью 400 Вт, но с эффективностью усилителя мощностью 100 Вт. Это связано с тем, что формы волн музыки содержат длительные периоды менее 100 Вт и содержат только короткие всплески до 400 Вт — другими словами, потери при 400 Вт происходят в течение коротких периодов времени. Если бы этот пример был изображен как класс AB только с 80 В вместо 40 В, транзисторы T1 и T3 должны были бы находиться в состоянии проводимости на протяжении всего сигнала от 0 В до 80 В с соответствующими потерями на протяжении всего периода волны, а не только кратковременных всплесков высокой энергии. Для достижения этого управления отслеживанием рельсов T2 и T4 действуют как усилители тока, каждый последовательно со своим низковольтным аналогом T1 и T3. Целью T2 и T3 является обеспечение обратного смещения диода D2, когда выход усилителя находится на положительном пике (выше 39,3 В), и обратного смещения D4, когда выход находится на отрицательном пике менее -39,3 В. Во время музыкальных пиков от 100 до 400 Вт шины +/-40 В не подают ток, поскольку весь ток поступает от шин +/-80 В. Однако эта цифра слишком упрощена, поскольку она фактически вообще не будет управлять транзисторами T2 и T4. Это связано с тем, что диоды D1 и D3, которые предназначены для обеспечения пути выходного напряжения обратно в верхние устройства, всегда имеют обратное смещение. Они нарисованы в обратном направлении. Вместо этих диодов в реальной конструкции потребуется усилитель напряжения с усилением, который использует vout в качестве своего входа. Есть еще одна причина для этого требования к усилению между vout и базой T2 в реальной конструкции класса H, а именно, чтобы гарантировать, что сигнал, подаваемый на T2, всегда «опережает» сигнал Vout, чтобы он никогда не мог «догнать» рельсовый трекер. Усилитель рельсового трекера может иметь скорость нарастания 50 В/мкс, в то время как усилитель AB может иметь скорость нарастания только 30 В/мкс, чтобы гарантировать это.