Принцип разбиения усилителей по классам.
Усилители мощности применяются в огромном количестве электронных приборов: звуковых системах, электродвигателях, устройствах с беспроводной передачей энергии и т.д. При этом существует несколько разновидностей усилителей и при проектировании схемы зачастую встаёт вопрос о том, который из существующих типов лучше всего подходит для данного случая.
Основными характеристиками усилителя мощности являются: линейность, коэффициент усиления, эффективность и выходная мощность. В действительности (в реальных условиях) первоочередными для рассмотрения являются эффективность усилителя и линейность получаемого сигнала. При проектировании реального усилителя все эти характеристики вывести на высокий уровень не получается, приходится искать компромиссный вариант.
Существует несколько вариантов классификации усилителей мощности, но наиболее часто используют разделения на классы. Класс усилителя определяется режимом работы активного элемента (усилительного каскада из транзистора/транзисторов) и параметрами схемы и входящих в неё элементов. Среди классов можно найти схемы с полностью линейным режимом работы, но с низкой эффективностью, и абсолютно нелинейным режимом, эффективность которых намного выше.
Таким образом, усилители мощности можно разделить на 2 группы. К первой можно отнести усилители, у которых режим работы зависит от выбранного угла проводимости транзистора. К этой группе относятся достаточно распространённые классы А, В, АВ и С, в которых характер работы транзисторов можно описать как среднее между полностью открытым и закрытым состояниями. Значение угла проводимости для транзисторов таких усилителей варьируется от 360° (полностью открытый транзистор в течение всего периода) до 90° (пропускается только четверть сигнала, остальное время транзистор закрыт). В аудиосистемах используются эти классы усилителей и именно о них речь пойдёт в этой статье.
Ко второй же группе относятся усилители, в которых транзисторы работают в ключевом режиме. К этой группе усилителей классы D, E, G, S, T и т.д.
Усилитель мощности класса А.
Усилители класса А (рисунок 1) из-за своей конструкции являются самыми простыми из всех перечисленных раннее. По сути усилитель класса А — это биполярный транзистор с общим эмиттером (или полевой транзистор с общим истоком) с углом проводимости сигнала 360º. Стоит отметить что транзистор всегда открыт и через него постоянно течёт ток. Чтобы транзистор был всегда открытым, задаётся ток смещения на базе. Значение тока смещения подбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области линейного усиления с минимальными (полностью отсутствующими в идеальном случае) искажениями. Это его главное преимущество и недостаток одновременно, так как выходной сигнал получается практически неискажённым, но потери энергии при использовании такого усилителя самые большие (в сравнении с другими классами). [1, c. 385-387]
Эффективность усилителей класса А из-за непрерывной работы крайне низкая и может падать до значений в 25 % [1, c. 387], что делает такие модели непригодными для усиления сигналов высоких мощностей. Также данный класс предъявляет большие требования к источнику питания: сигнал от источника питания должен быть отфильтрован, потому что транзистор находится в открытом состоянии постоянно и любые помехи от источника питания усиливаются и передаются на выход.
Рис. 1. Схема усилителя класса А и выбор рабочей точки транзистора [5]
Усилитель мощности класса В.
При создании усилителя класса В (рисунок 2) конструкторы старались избежать проблем с тепловыми потерями и низкой эффективностью. Самая простая схема класса В включает в себя 2 дополняющих друг друга биполярных (полевых) транзистора, каждый из которых усиливает только половину выходного сигнала. В усилителе класса В постоянный ток смещения на базе отсутствует, транзисторы проводят ток только при наличии соответствующего управляющего сигнала, а ток покоя на этих транзисторах крайне мал. Эти факторы приводят к большему значению эффективности усилителя, чем у класса А, но выходной сигнал при этом имеет нелинейные искажения.
Данная схема состоит из пары последовательно соединённых транзисторов одного типа, но разной полярности. Эта пара транзисторов управляется от одного источника напряжения, генерирующего гармонический сигнал. Таким образом, они работают поочерёдно, по половине периода каждый. Если подаётся положительный сигнал, то транзистор NPN (n-канальный) открыт и наоборот. На выходе результаты работы обоих транзисторов складываются в единый линейный сигнал при угле проводимости каждого из транзисторов 180°. Такая двухтактная конструкция существенно увеличивает среднюю эффективность усилителя, примерно до 50 %, но вместе с этим и добавляет нелинейное искажение в выходной сигнал в момент пересечения нулевого значения напряжения. [2, c. 643-644]
Поскольку для каждого транзистора существует своё напряжение насыщения базы-эмиттера (как правило, положительное для NPN и отрицательное для PNP), то в момент, когда управляющее напряжение находится в интервале между этими значениями, оба транзистора закрыты, поэтому часть усиливаемого сигнала пропадает.
Рис. 2. Схема усилителя класса В и выбор рабочей точки транзистора [5]
Усилитель класса АВ.
Усилитель класса В в значительной мере снижает тепловые потери и повышает эффективность, но уступает при этом по параметру линейности выходного сигнала классу А. С целью решить обе проблемы был разработан усилитель класса АВ (усилитель класса АВ), который совмещает в себе оба этих режима и является наиболее распространённым классом линейного усилителя. [3, c. 34-35]
В усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом, чтобы угол проводимости транзисторов был в пределах от 180° до 360° (в большинстве случаев угол незначительно превышает 180°). Таким образом каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала до пересечения нулевого значения, а чуть больше, и искажение выходного сигнала сглаживается, поскольку сигнал усиливается целиком без скачков и провалов, связанных с переключением транзисторов. Для того чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов к базам (затворам) подключаются несколько диодов и/или резисторов. [4, c. 396]
Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В — порядка 50 %, но они сильно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, данный класс линейных усилителей используется наиболее часто. Наиболее широкое применение усилители АВ находят в аудиоусилителях, поскольку при достаточно высоких показателях эффективности они могут дать на выходе неискажённый сигнал.
Рис. 3. Схема усилителя класса АВ и выбор рабочей точки транзистора [5]
Усилитель класса С.
Усилители А, В и АВ иногда называют линейными потому, что их амплитуда и фаза их выходного сигнала связана линейной зависимостью с амплитудой и фазой входного сигнала Класс С в свою очередь нельзя назвать линейным согласно приведённому выше критерию, но в ключевом режиме он также не работает. Метод же управления транзистором в классе С такой же: выбор нужной рабочей точки транзистора с помощью установки смещения на базе (затворе). Таким образом усилитель класса С относится к той же подгруппе, что и описанные ранее классы.
Из всех усилителей этой подгруппы класс С достигает наивысших значений эффективности, однако при этом выходной сигнал очень сильно искажается. На базе транзистора класса С задаётся такое смещение, чтобы он был закрыт больше половины периода входного сигнала. Иными словами угол проводимости транзистора в классе С задаётся в интервале от 0° до 180°. Поскольку большую часть времени транзистор закрыт, то и потери на нём минимизированы, а эффективность благодаря этому может достигать 100 % в идеальном случае. [1, c. 403, 405]
Из-за сильного искажения выходного сигнала усилители класса С не используются в аудиоусилителях, но они находят широкое применение в высокочастотных генераторах синусоидальных сигналов и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, создаваемые на выходе усилителя, могут быть преобразованы в полный синусоидальный сигнал определённой частоты за счёт резонансного L-C контура, подключённого к выходу усилителя. [4, c. 106-107]
Рис. 4. Схема усилителя класса С и выбор рабочей точки транзистора [5]
Заключение.
При классификации усилителей по режиму работы транзистора выделяют две основные большие группы: управляемые смещением на базе/затворе и ключевые усилители. В первой группе класс определяется выбором угла проводимости через установку рабочей точки транзистора. Для усилителей класса А угол проводимости равен 360° и характерны крайне низкая эффективность (может падать до 25 %) и линейное усиление без искажений выходного сигнала. Усилители класса В имеют угол проводимости 180°, эффективность порядка 50 % за счёт двухтактной системы усиления сигнала. Однако, такая система вносит нелинейные искажения в сигнал в области пересечения нулевого значения. В усилителях класса АВ угол проводимости берётся несколько больше 180° (конкретное значение зависит от параметров схемы), эффективность порядка 50-60 %, а нелинейные искажения в области нуля, характерные для класса В, полностью отсутствуют (для идеального случая). Усилители класса С определяются углом проводимости транзистора от 0° до 180°, эффективность в среднем 70-80 %, но сигнал претерпевает сильные нелинейные искажения.
Усилитель класса А используется редко ввиду малой эффективности, но простота его реализации может сделать его выбор оправданным для схем с малыми мощностями. Классы В и АВ очень широко применяются в звуковых усилителях из-за одновременно хороших показателей эффективности и линейности сигнала. Усилитель класса С применяется в высокочастотных генераторах или радиоусилителях с использованием резонансного L-C контура.
Рис. 5. Классы усилителей и соответствующие им средние значения эффективности и угла проводимости [5]
Литература:
- Malvino A., Bates D. J. Electronic Principles. — 7-е изд.: McGraw-Hill Science, 2007. — 1116 p.
- V. Paidi, S. Xie, R. Coffie, B. Moran, S. Heikman, S. Keller, A, Chini, S. P. DenBars, U. K. Mishra, S. Long, M. J. W. Rodwell. High Linearity and High Efficiency of Class-B Power Amplifiers in GaN HEMT Technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2003. — vol. 51, NO. 2. — p. 643-652.
- Douglas Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. — 3-е изд.: Newnes, 2002. — 427 p.
- Schuylenbergh K. V., Puers R. Inductive Powering. Basic Theory and Application to Biomedical Systems.: Springer Science + Business Media, 2009. — 233 p.
- Amplifier Classes and Classification of Amplifiers // Electronic tutorials. URL: http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amplifier-classes.html (дата обращения 24.04. 2017).
