В электронике классы усилителей мощности представляют собой буквенные обозначения , применяемые к различным типам усилителей мощности . Класс дает общее представление о характеристиках и характеристиках усилителя . Первые три класса связаны с периодом времени, в течение которого активное усилительное устройство пропускает ток, выраженным как доля периода формы сигнала, подаваемого на вход. Этот показатель известен как угол проводимости (θ). Усилитель класса А проводит ток на протяжении всего периода сигнала (θ=360°); Класс B только для половины входного периода (θ=180°), класс C — для гораздо меньше половины входного периода (θ<180°). Усилители класса D работают по принципу переключения; часть времени, в течение которого устройство проводит, может быть отрегулирована таким образом, чтобы со каскада можно было получить выходной сигнал широтно-импульсной модуляции (или другой частотной модуляции).
Дополнительные буквенные классы определены для усилителей специального назначения с дополнительными активными элементами, улучшениями питания или настройкой выходного сигнала; иногда производитель также использует новый буквенный символ для продвижения своего запатентованного дизайна.
К декабрю 2010 года классы AB и D доминировали почти на всем рынке аудиоусилителей, причем первые пользовались предпочтением в портативных музыкальных плеерах, домашнем аудио и сотовых телефонах из-за более низкой стоимости микросхем класса AB. [1]
Схемы усилителей мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для линейных конструкций, а также классы D и E для переключающих конструкций. Классы обычно основаны на доле каждого входного цикла (угла проводимости), в течение которого усилительное устройство пропускает ток. [2] Изображение угла проводимости получается в результате усиления синусоидального сигнала. Если устройство всегда включено, угол проводимости составляет 360°. Если он включен только половину каждого цикла, угол равен 180°. Угол потока тесно связан с энергоэффективностью усилителя .
На иллюстрациях ниже в качестве усилительного устройства показан биполярный транзистор . Однако те же характеристики присущи МОП-транзисторам и электронным лампам .
В усилителе класса А используется 100% входного сигнала (угол проводимости θ = 360°). Активный элемент все время остается проводящим [3] .
Усилительные устройства, работающие в классе А, проводят ток во всем диапазоне входного цикла. Усилитель класса А отличается тем, что устройства выходного каскада смещены для работы класса А. Подкласс A2 иногда используется для обозначения ламповых каскадов класса A, которые возбуждают сетку слегка положительной на пиках сигнала с немного большей мощностью, чем обычный класс A (A1; где сетка всегда отрицательна [4] [5] ). Однако это приводит к более высоким искажениям сигнала . Поскольку транзисторы, смещенные по классу А, по существу, всегда имеют ток стока, их эффективность низкая, и в транзисторе выделяется тепло.
Конструкции усилителей мощности класса А в значительной степени были заменены более эффективными конструкциями, хотя их простота делает их популярными среди некоторых любителей. Существует рынок дорогих усилителей класса А с высоким качеством воспроизведения , которые считаются «культовым предметом» среди аудиофилов [8] главным образом из-за отсутствия в них перекрестных искажений и уменьшения гармонических искажений нечетных гармоник и высших порядков . Усилители мощности класса А также используются в некоторых «эксклюзивных» гитарных усилителях из-за их уникального качества звука и для воспроизведения винтажных тонов.
Некоторые любители, предпочитающие усилители класса А, также предпочитают использовать конструкции с термоэмиссионными лампами (лампами) вместо транзисторов по нескольким причинам:
Транзисторы намного дешевле ламповых, поэтому более сложные конструкции, в которых используется больше деталей, по-прежнему дешевле в производстве, чем ламповые конструкции. Классическим применением пары устройств класса А является пара с длинным хвостом , которая является исключительно линейной и составляет основу многих более сложных схем, включая множество аудиоусилителей и почти все операционные усилители .
Усилители класса А могут использоваться в выходных каскадах операционных усилителей [11] (хотя точность смещения в недорогих операционных усилителях, таких как «741», может привести к характеристикам класса A, класса AB или класса B, варьируя от устройства к устройству или с температурой). Иногда их используют в качестве усилителей мощности звука средней мощности, с низким КПД и высокой стоимости. Потребляемая мощность не связана с выходной мощностью. В режиме ожидания (без входного сигнала) энергопотребление практически такое же, как и при высокой выходной громкости. Результатом является низкий КПД и высокое тепловыделение.
В усилителе класса B активное устройство проводит ток в течение 180 градусов цикла (угол проводимости θ = 180°). Поскольку усиливается только половина сигнала, в выходном сигнале непосредственно присутствуют значительные гармонические искажения. Поэтому усилители класса B обычно работают с настроенной нагрузкой, когда гармоники замыкаются на землю с помощью ряда резонаторов. Другой метод уменьшения искажений, особенно на звуковых частотах, заключается в использовании двух транзисторных устройств в двухтактной конфигурации. Каждый из них проводит половину (180°) цикла сигнала, а токи устройства объединяются так, что ток нагрузки является 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 сигнала. Устройства, работающие в классе B, используются в линейных усилителях, названных так потому, что выходная мощность радиочастоты пропорциональна квадрату входного напряжения возбуждения. Эта характеристика предотвращает искажение амплитудно- или частотно-модулированных сигналов, проходящих через усилитель. Такие усилители имеют КПД около 60%. [13]
Когда усилители класса B усиливают сигнал двумя активными устройствами, каждое из которых работает в течение половины цикла. Эффективность значительно выше, чем у усилителей класса А. [14] Усилители класса B также используются в устройствах с батарейным питанием, таких как транзисторные радиоприемники . Класс B имеет максимальный теоретический КПД π/4 (≈ 78,5%). [15]
Практическая схема, использующая элементы класса B, представляет собой двухтактный каскад , такой как очень упрощенная схема комплементарной пары, показанная справа. Каждое из дополнительных устройств используется для усиления противоположных половин входного сигнала, который затем рекомбинируется на выходе. Такая схема обеспечивает хорошую эффективность, но обычно страдает недостатком, заключающимся в небольшом несоответствии в области пересечения – в местах «стыка» двух половин сигнала, поскольку одно выходное устройство должно взять на себя подачу мощности точно так же, как и другой заканчивает. Это называется кроссоверным искажением . Улучшение заключается в смещении устройств, чтобы они не отключались полностью, когда не используются. Этот подход называется операцией класса AB . [ нужна цитата ]
В усилителе класса АВ угол проводимости является промежуточным между классами А и В (угол проводимости θ > 180°); каждый из двух активных элементов проводит более половины времени. Класс AB широко считается хорошим компромиссом для усилителей, поскольку большую часть времени музыкальный сигнал достаточно тихий, чтобы оставаться в области «класса А», где он усиливается с хорошей точностью и, по определению, при выходе за пределы диапазона. эта область достаточно велика, поэтому продукты искажений, типичные для класса B, относительно малы. Искажения кроссовера можно дополнительно уменьшить за счет использования отрицательной обратной связи .
В режиме класса AB каждое устройство работает так же, как и в классе B, на половине сигнала, но также проводит небольшой объем на другой половине. [16] В результате область, в которой оба устройства одновременно почти выключены («мертвая зона»), сокращается. В результате, когда сигналы от двух устройств объединяются, пересечение значительно минимизируется или вообще устраняется. Точный выбор тока покоя (ток покоя через оба устройства при отсутствии сигнала) существенно влияет на уровень искажений (и на риск термического разгона , который может повредить устройства). Часто напряжение смещения, подаваемое для установки тока покоя, необходимо регулировать в зависимости от температуры выходных транзисторов. (Например, в схеме, показанной справа, диоды будут установлены физически близко к выходным транзисторам и должны иметь согласованный температурный коэффициент.) Другой подход (часто используемый с термическим отслеживанием напряжений смещения) заключается в включении резисторов небольшого 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 встречается в ламповых усилителях класса AB). Обычно он намного эффективнее класса А.
Конструкция лампового усилителя иногда имеет дополнительный суффиксный номер класса, например, класс B1. Суффикс 1 указывает, что ток сетки не течет ни на какой части входного сигнала, а суффикс 2 указывает на то, что ток сетки течет для части входного сигнала. Это различие влияет на конструкцию драйверных каскадов усилителя. Суффиксные номера не используются для полупроводниковых усилителей. [17]
В усилителе класса С используется менее 50 % входного сигнала (угол проводимости θ < 180°). Искажения высоки, и для практического использования требуется настроенная схема в качестве нагрузки. Эффективность может достигать 80% в радиочастотных приложениях. [13]
Обычно усилители класса C применяются в радиочастотных передатчиках , работающих на одной фиксированной несущей частоте , где искажения контролируются настроенной нагрузкой на усилитель. Входной сигнал используется для переключения активного устройства, вызывая протекание импульсов тока через настроенную цепь, входящую в состав нагрузки. [18]
Усилитель класса С имеет два режима работы: настроенный и ненастроенный. [19] На диаграмме показана форма сигнала простой схемы класса C без настроенной нагрузки. Это называется ненастроенной работой, и анализ формы сигнала показывает огромные искажения, которые появляются в сигнале. Когда используется правильная нагрузка (например, индуктивно-емкостной фильтр плюс нагрузочный резистор), происходят две вещи. Во-первых, уровень смещения на выходе ограничивается средним выходным напряжением, равным напряжению питания. Вот почему настроенную операцию иногда называют фиксатором . Это восстанавливает правильную форму сигнала, несмотря на то, что усилитель имеет только однополярное питание. Это напрямую связано со вторым явлением: форма сигнала на центральной частоте становится менее искаженной. Остаточные искажения зависят от полосы пропускания настроенной нагрузки: на центральной частоте искажения очень малы, но затухание тем сильнее, чем дальше от настроенной частоты находится сигнал.
Настроенная схема резонирует на одной частоте, фиксированной несущей частоте, поэтому нежелательные частоты подавляются, а нужный полный сигнал (синусоидальная волна) извлекается настроенной нагрузкой. Полоса 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 всегда используется настроенная нагрузка. В одном из распространенных вариантов резистор, показанный на схеме выше, заменяется параллельно настроенной схемой, состоящей из параллельно включенных катушки индуктивности и конденсатора, компоненты которой выбираются так, чтобы резонировать на частоте входного сигнала. Мощность может быть подана к нагрузке с помощью трансформатора с вторичной обмоткой, намотанной на индуктор. Среднее напряжение на коллекторе тогда равно напряжению питания, а напряжение сигнала, появляющееся в настроенной цепи, изменяется от почти нуля до почти удвоенного напряжения питания во время ВЧ-цикла. Входная цепь смещена так, что активный элемент (например, транзистор) проводит только часть ВЧ-периода, обычно одну треть (120 градусов) или меньше. [20]
Активный элемент проводит ток только тогда, когда напряжение коллектора достигает минимума. Таким образом, рассеивание мощности в активном устройстве сводится к минимуму и повышается эффективность. 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 пропустить, и поэтому импульс необходимо расширить примерно до 120 градусов, чтобы получить разумную мощность, и тогда эффективность составит 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 меняется в зависимости от ширины импульса.
В усилителе класса D активные устройства (транзисторы) функционируют как электронные переключатели, а не как устройства с линейным коэффициентом усиления; они либо включены, либо выключены. Аналоговый сигнал преобразуется в поток импульсов, который представляет сигнал посредством широтно-импульсной модуляции , плотности импульсной модуляции , дельта-сигма-модуляции или связанного с ним метода 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 . Целью выходного фильтра является сглаживание потока импульсов до аналогового сигнала, удаление высокочастотных спектральных составляющих импульсов. Частота выходных импульсов обычно в десять или более раз превышает максимальную частоту входного сигнала, подлежащего усилению, так что фильтр может адекватно уменьшить нежелательные гармоники и точно воспроизвести входной сигнал. [21]
Основным преимуществом усилителя класса D является энергоэффективность. КПД более 90% достижим с помощью МОП-транзисторов, а >80% является довольно распространенным явлением. Поскольку выходные импульсы имеют фиксированную амплитуду, переключающие элементы (обычно MOSFET , но также используются электронные лампы и биполярные транзисторы ) полностью включаются или полностью выключаются, а не работают в линейном режиме. МОП-транзистор обычно работает с наименьшим сопротивлением в открытом состоянии, когда он полностью включен, и, следовательно (за исключением полностью выключенного состояния), имеет наименьшую рассеиваемую мощность в этом состоянии. По сравнению с эквивалентным устройством класса AB, более низкие потери усилителя класса D позволяют использовать радиаторы меньшего размера для МОП-транзисторов, а также уменьшают требуемую входную мощность, что позволяет использовать конструкцию источника питания меньшей мощности. Поэтому усилители класса D обычно меньше, чем эквивалентный усилитель класса AB.
Еще одним преимуществом усилителя класса D является то, что он может работать от источника цифрового сигнала без необходимости использования цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) для предварительного преобразования сигнала в аналоговую форму. Если источник сигнала имеет цифровую форму, 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.
Усилитель класса D с умеренной выходной мощностью может быть построен с использованием обычного логического процесса КМОП, что делает его пригодным для интеграции с другими типами цифровых схем. Таким образом, это обычно встречается в системах на кристаллах со встроенным звуком, когда усилитель использует один 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 еще не находится в формате импульсной модуляции до усиления, его необходимо сначала 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 потребительских товарах высокого класса наблюдался в 2009 году. Однако большинство из них в настоящее время [2022] по-прежнему ближе к динамическому диапазону 100 дБ из соображений практической стоимости. Говорят, что эти конструкции могут конкурировать с традиционными усилителями AB по качеству. Первыми усилителями класса D стали мощные усилители для сабвуферов в автомобилях. Поскольку сабвуферы обычно ограничены полосой пропускания не выше 150 Гц, скорость переключения усилителя не обязательно должна быть такой высокой, как для полнодиапазонного усилителя, что позволяет использовать более простые 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 классов D и E иногда ошибочно называют «цифровыми», поскольку форма выходного сигнала внешне напоминает последовательность импульсов цифровых символов, но усилитель класса D просто преобразует входной сигнал в аналоговый сигнал с непрерывной широтно-импульсной модуляцией. . (Цифровой сигнал будет иметь импульсно-кодовую модуляцию .)
Другие классы усилителей в основном представляют собой вариации предыдущих классов. Например, усилители класса G и класса H характеризуются изменением шин питания (дискретными шагами или непрерывным образом соответственно) вслед за входным сигналом. Потеря тепла на выходных устройствах может быть уменьшена, поскольку избыточное напряжение сведено к минимуму. Сам усилитель, питающийся по этим шинам, может быть любого класса. Усилители такого типа более сложны и в основном используются для специализированных приложений, например, в устройствах очень высокой мощности. Кроме того, усилители классов E и F обычно описываются в литературе для радиочастотных приложений, где важна эффективность традиционных классов, однако некоторые аспекты 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 представляет собой высокоэффективный настроенный импульсный усилитель мощности, используемый на радиочастотах. В нем используется однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть между выключателем и нагрузкой. Схема обеспечивает высокую эффективность за счет работы переключающего элемента только в точках нулевого тока (переключение от включения к выключению) или нулевого напряжения (переключение от выключения к включению), что сводит к минимуму потери мощности в переключателе, даже если время переключения устройств велико по сравнению к частоте работы. [22]
Часто упоминается, что об усилителе класса E впервые сообщалось в 1975 году. [23] Однако полное описание работы класса E можно найти в докторской диссертации Джеральда Д. Юинга 1964 года. [24] Интересно, что аналитические уравнения проектирования стали известны лишь недавно. [25]
В двухтактных усилителях и КМОП четные гармоники обоих транзисторов просто компенсируются. Эксперимент показывает, что эти усилители могут генерировать прямоугольную волну . Теоретически прямоугольные волны состоят только из нечетных гармоник. В усилителе класса D выходной фильтр блокирует все гармоники; т.е. гармоники видят открытую нагрузку. Таким образом, даже небольших токов в гармониках достаточно для генерации прямоугольной волны напряжения. Ток синфазен с напряжением, подаваемым на фильтр, но напряжение на транзисторах не совпадает по фазе. Следовательно, существует минимальное перекрытие между током через транзисторы и напряжением на транзисторах. Чем острее края, тем меньше перекрытие.
В то время как в классе D транзисторы и нагрузка существуют как два отдельных модуля, класс F допускает такие недостатки, как паразитные свойства транзистора, и пытается оптимизировать глобальную систему, чтобы иметь высокий импеданс на гармониках. [26] Конечно, на транзисторе должно быть конечное напряжение, чтобы ток проходил через сопротивление открытого состояния. Поскольку общий ток через оба транзистора в основном имеет первую гармонику, он выглядит как синусоидальный. Это означает, что в середине квадрата должен протекать максимальный ток, поэтому может иметь смысл сделать провал в квадрате или, другими словами, допустить некоторое перекос прямоугольной волны напряжения. Сеть нагрузки класса F по определению должна передавать ниже частоты среза и отражать выше.
Любая частота, лежащая ниже границы среза и имеющая вторую гармонику выше границы, может быть усилена, то есть полоса пропускания в октаву. С другой стороны, индуктивно-емкостная последовательная схема с большой индуктивностью и настраиваемой емкостью может оказаться проще в реализации. Уменьшив коэффициент заполнения ниже 0,5, можно модулировать выходную амплитуду. Прямоугольная форма напряжения ухудшается, но любой перегрев компенсируется снижением общей передаваемой мощности. Любое несоответствие нагрузки за фильтром может воздействовать только на форму тока первой гармоники, очевидно, что имеет смысл только чисто резистивная нагрузка, тогда чем ниже сопротивление, тем выше ток.
Класс F может управляться синусоидальным или прямоугольным сигналом, для синусоидального сигнала вход можно настроить с помощью дросселя для увеличения усиления. Если класс F реализован на одном транзисторе, фильтру будет сложно закорачивать четные гармоники. Во всех предыдущих проектах использовались острые края, чтобы минимизировать перекрытие.
Существует множество конструкций усилителей, которые дополняют выходные каскады класса AB более эффективными методами для достижения большей эффективности с низкими искажениями. Эти конструкции распространены в больших аудиоусилителях, поскольку без увеличения эффективности радиаторы и силовые трансформаторы были бы непомерно большими (и дорогими). Термины «класс G» и «класс H» используются как взаимозаменяемые для обозначения различных конструкций, определение которых варьируется от одного производителя или бумаги к другому.
Усилители класса G (которые используют «переключение рельсов» для снижения энергопотребления и повышения эффективности) более эффективны, чем усилители класса AB. Эти усилители имеют несколько линий питания с разным напряжением и переключаются между ними по мере приближения выходного сигнала к каждому уровню. Таким образом, усилитель повышает эффективность за счет снижения потерь мощности на выходных транзисторах. Усилители класса G более эффективны, чем класс AB, но менее эффективны по сравнению с классом D, однако они не имеют эффектов электромагнитных помех класса D.
Усилители класса H создают бесступенчатую (аналоговую) шину питания. Их иногда называют железнодорожными путями. Это делается путем модуляции шин питания так, чтобы напряжение на шинах было всего на несколько вольт больше, чем выходной сигнал, «отслеживающий» его в любой момент времени. Выходной каскад постоянно работает с максимальной эффективностью. Это связано со способностью схемы удерживать рельсовые транзисторы (T2 и T4) в отключенном состоянии до тех пор, пока пик музыкального напряжения не достигнет достаточной величины, чтобы потребовать дополнительного напряжения от источников + и - 80 В. Обратитесь к схематическому рисунку. Усилитель класса H на самом деле можно рассматривать как два последовательно соединенных усилителя. В схематическом примере, показанном на рисунке, усилители с шиной +/- 40 В могут непрерывно выдавать около 100 Вт при нагрузке 8 Ом. Если выходной сигнал работает при напряжении ниже 40 В, усилитель имеет только потери, присущие усилителю 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. Ключом к пониманию этой эффективности без искажения реальных цифр является тот факт, что у нас есть усилитель мощностью 400 Вт, но с эффективностью усилителя на 100 Вт. Это связано с тем, что музыкальные сигналы содержат длинные периоды мощностью менее 100 Вт и содержат только короткие всплески мощностью до 400 Вт – другими словами, потери при мощности 400 Вт происходят в течение коротких периодов времени. Если бы этот пример был нарисован как класс AB только с источниками питания 80 В вместо источников 40 В, транзисторы T1 и T3 должны были бы проводиться в течение всего сигнала от 0 В до 80 В с соответствующими потерями на протяжении всей волны. период, а не только краткие всплески высокой энергии. Для достижения такого управления движением рельсов T2 и T4 действуют как усилители тока, каждый из которых включен последовательно со своими низковольтными аналогами T1 и T3. Целью T2 и T3 является обеспечение обратного смещения диода D2, когда выходной сигнал усилителя имеет положительный пик (выше 39,3 В), и обратного смещения D4, когда выходной сигнал имеет отрицательный пик менее -39,3 В. Во время музыкальных пиков от При мощности от 100 до 400 Вт шины +/-40 В не создают ток, поскольку весь ток поступает из шин +/-80 В. Однако эта цифра слишком упрощена, поскольку она вообще не будет управлять транзисторами Т2 и Т4. Это связано с тем, что диоды D1 и D3, которые предназначены для обеспечения пути выходного напряжения обратно в верхние устройства, всегда смещены в обратном направлении. Они тянутся назад. Вместо этих диодов в реальной конструкции потребуется усилитель напряжения с коэффициентом усиления, который использует vout в качестве входного сигнала. Существует еще одна причина такого требования к усилению между базой Vout и T2 в реальной конструкции класса H: она заключается в том, чтобы гарантировать, что сигнал, подаваемый на T2, всегда «опередит» сигнал Vout, поэтому он никогда не сможет «догнать» сигнал Vout. железнодорожный трекер. Чтобы гарантировать это, усилитель рельсового пути может иметь скорость нарастания 50 В/мкс, тогда как усилитель AB может иметь скорость нарастания только 30 В/мкс.