Что такое усилители класса B и AB. Как они работают. В чем их отличия от усилителей класса A. Каковы преимущества и недостатки усилителей класса B и AB. Где применяются усилители этих классов.
Принцип работы усилителей класса B
Усилители класса B отличаются от усилителей класса A тем, что в них выходные транзисторы открыты только половину периода входного сигнала. Это позволяет значительно повысить КПД усилителя.
Основные особенности усилителей класса B:
- Используются два комплементарных транзистора в выходном каскаде
- Каждый транзистор работает только на одной полуволне сигнала
- При отсутствии сигнала оба транзистора закрыты
- КПД может достигать 78,5%
Принцип работы усилителя класса B можно описать следующим образом:
- При положительной полуволне входного сигнала открывается верхний транзистор
- При отрицательной полуволне открывается нижний транзистор
- В момент перехода через ноль оба транзистора закрыты
Преимущества и недостатки усилителей класса B
Основные преимущества усилителей класса B:
- Высокий КПД (до 78,5%)
- Малый ток покоя
- Низкое тепловыделение
Недостатки усилителей класса B:
- Высокие нелинейные искажения в области малых сигналов
- Наличие искажений типа «ступенька» при переходе через ноль
Особенности усилителей класса AB
Усилители класса AB являются компромиссным решением между классами A и B. Их основные особенности:
- Небольшое начальное смещение выходных транзисторов
- Работа в режиме класса A при малых сигналах
- Переход в режим класса B при больших сигналах
- КПД ниже, чем у класса B, но выше, чем у класса A
- Меньшие искажения по сравнению с чистым классом B
Применение усилителей класса B и AB
Усилители класса B и AB нашли широкое применение в следующих областях:
- Мощные звуковые усилители
- Автомобильные аудиосистемы
- Портативные аудиоустройства
- Профессиональное звуковое оборудование
Они позволяют получить высокую выходную мощность при умеренном энергопотреблении и приемлемом качестве звука.
Схемотехника усилителей класса B
Типовая схема усилителя класса B включает следующие основные элементы:
- Входной каскад для усиления сигнала по напряжению
- Драйверный каскад для согласования с выходным каскадом
- Выходной каскад на комплементарных транзисторах
- Цепи обратной связи для стабилизации параметров
Ключевой особенностью является использование двух комплементарных транзисторов разной структуры (npn и pnp) в выходном каскаде. Это позволяет усиливать обе полуволны сигнала.
Искажения в усилителях класса B
Основной проблемой усилителей класса B являются нелинейные искажения, возникающие при переходе через ноль. Они вызваны следующими факторами:
- Наличием порогового напряжения открывания транзисторов
- Неидентичностью характеристик комплементарных транзисторов
- Отсутствием плавного перехода между режимами работы
Эти искажения проявляются в виде характерной «ступеньки» на осциллограмме выходного сигнала при малых амплитудах. Для их минимизации применяются различные схемотехнические решения.
Методы улучшения параметров усилителей класса B
Для снижения искажений и улучшения характеристик усилителей класса B используются следующие методы:
- Введение небольшого начального смещения (переход к классу AB)
- Применение сложных многокаскадных схем
- Использование глубокой отрицательной обратной связи
- Подбор согласованных пар транзисторов
- Температурная стабилизация рабочей точки
Эти меры позволяют значительно улучшить качество звучания усилителей при сохранении их высокой энергоэффективности.
Сравнение усилителей класса AB и класса A
Основные отличия усилителей класса AB от класса A:
| Параметр | Класс A | Класс AB |
|---|---|---|
| КПД | 25-30% | 50-70% |
| Искажения | Минимальные | Низкие |
| Ток покоя | Высокий | Средний |
| Тепловыделение | Высокое | Среднее |
Как видно, усилители класса AB обеспечивают хороший компромисс между качеством звука и энергоэффективностью.
Современные тенденции в развитии усилителей класса B и AB
Основные направления совершенствования усилителей класса B и AB в настоящее время:
- Применение новых полупроводниковых технологий
- Использование цифровых методов коррекции искажений
- Разработка интегральных усилителей с улучшенными параметрами
- Совершенствование методов температурной стабилизации
Эти инновации позволяют создавать усилители с качеством звучания на уровне класса A при сохранении высокой энергоэффективности.
Усилители класс B: классификация УМ звуковой частоты
Усилители класс B по сути определяются правилом построения и работы оконечного и предварительного трактов усилителя. Здесь, в статье, речь пойдет в частности о классе B, используемого два или более транзисторов, смещенных таким образом, чтобы каждый из них пропускал импульс только во время прохождения одной полуволны входного импульса.
Содержание
- Усилители класс B — отличия и особенность работы выходного тракта Y2
- Схема трансформаторного усилителя класса В
- Кривые выходных характеристик класса B
- Бестрансформаторные усилители класс B Push-Pull
- Выходной каскад бестрансформаторного усилителя класса B
- Усилитель класса AB
Усилители класс B — отличия и особенность работы выходного тракта Y2
Чтобы повысить полную энергоэффективность усилителя класса A за счет уменьшения потерь мощности в виде тепла, можно разработать схему устройства с двумя транзисторами в оконечном тракте. То есть собирать аппараты, которые называют усилители класс B, имеющие конфигурацию двухтактного УМ.
Двухтактные усилители класс В используют два «комплементарных» или согласующих транзистора, один из которых является NPN-типом, а другой — PNP-типа, причем оба силовых транзистора принимают один и тот же входной сигнал, который равен по величине, но находится в фазе, противоположной друг другу.
Это приводит к тому, что один транзистор усиливает только половину или 180° цикла входного сигнала, в то время как другой транзистор усиливает другую половину или оставшиеся 180° цикла входного сигнала. В итоге результирующие «две половины» снова соединяются вместе на выходной клемме.
При этом угол проводимости для этого типа схемы усилителя составляет всего 180° или 50% от входного сигнала. Этот эффект выталкивания и вытягивания чередующихся полу-периодов транзисторами дает этому типу схемы свое забавное название «двухтактный», более известный как усилитель класса B, как показано ниже.
Схема трансформаторного усилителя класса В
Приведенная выше схема показывает стандартную схему усилителя класса B, в которой используется симметричный входной трансформатор с центральным ответвлением, который разбивает входящий сигнал формы волны на две равные половины, которые находятся на 180 в противофазе друг с другом. Другой трансформатор с центральным ответвлением на выходе используется для объединения двух сигналов, обеспечивающих повышенную мощность нагрузки.
Транзисторы, используемые для этого типа двухтактной схемы трансформаторного усилителя, являются NPN-транзисторами с общим эмиттером. Здесь ток нагрузки распределяется между двумя устройствами силового транзистора, поскольку он уменьшается в одном устройстве и увеличивается в другом в течение сигнального цикла, уменьшая выходное напряжение и ток до нуля. В результате обе половины выходного сигнала теперь колеблются от нуля до двукратного тока покоя, тем самым уменьшая рассеивание.
[adsens]
Это приводит к почти удвоению эффективности усилителя примерно до 70%.
Если предположить, что входной сигнал отсутствует, то на каждом коллекторе транзисторе присутствует ток покоя, значение которого определяется смещением напряжения базы, которое находится в точке отсечки.
Если есть отвод средней точки от трансформатора, то токи двух коллекторов будут проходить в противоположных направлениях (идеальное состояние), и намагничивание сердечника трансформатора не будет. Таким образом сводя к минимуму возможность появления искажений.
Когда входной сигнал присутствует на вторичной обмотке управляющего трансформатора T1, входы базы транзистора находятся в «противофазе» друг к другу, как показано на рисунке. Из этого следует, если база TR1 становится положительной, приводя транзистор в открытое состояние, при этом ток коллектора будет увеличиваться, но в то же время базовый ток TR2 будет отрицательным, и ток коллектора этого транзистора уменьшится на равную величину, и наоборот.
Следовательно, отрицательные половины усиливаются одним транзистором, а положительные половины — другим транзистором, создавая этот двухтактный эффект.
В отличие от состояния постоянного тока, эти переменные токи являются АДДИТИВНЫМИ, в результате чего два выходных полупериода объединяются для преобразования синусоидальной волны в первичной обмотке выходного трансформатора, которая затем появляется в нагрузке.
Усилитель класса B работает с нулевым смещением постоянного тока, поскольку транзисторы смещены при отключении, поэтому каждый транзистор открывается только тогда, когда входной сигнал больше, чем напряжение базового эмиттера. Следовательно, при нулевом напряжении на входе есть нулевой выход, и мощность не потребляется. Это означает, что фактическая точка Q усилителя класса B находится на линии нагрузки Vce, как показано ниже.
Кривые выходных характеристик класса B
Усилитель класса B имеет большое преимущество по сравнению со своими собратьями-усилителями класса A в том, что через транзисторы ток не течет, когда они находятся в состоянии покоя (то есть без входного сигнала). Поэтому мощность на выходных транзисторах или трансформаторе не рассеивается, в отличие от оконечных каскадов усилителя класса A сигнал отсутствует.
А это в свою очередь требует значительного смещения базы, что приводит к рассеиванию большого количества энергии — даже при отсутствии входного сигнала.
Таким образом, общая эффективность преобразования () усилителя выше, чем у эквивалентного класса A, при этом КПД достигает максимально возможных 70%, это означает, что почти все современные типы двухтактных усилителей работают в этом режиме класса B.
Бестрансформаторные усилители класс B Push-Pull
Одним из основных недостатков схемы усилителя класса B, приведенной выше, является то, что в ее конструкции используются симметричные трансформаторы с центральным отводом, что делает его дорогостоящим. Тем не менее, существует другой тип усилителя класса B с дополнительной симметрией, который не использует трансформаторы в своей конструкции.
Вместо трансформатора здесь используется дополнительные или подобранные пары силовых транзисторов. Поскольку трансформаторы не нужны, это делает схему усилителя намного меньше при той же величине выходного сигнала, также отсутствуют паразитные магнитные эффекты или искажения трансформатора, влияющие на качество выходного сигнала.
Пример «бестрансформаторной» схемы усилителя класса B приведен ниже.
Выходной каскад бестрансформаторного усилителя класса B
В приведенной выше схеме усилителя класса B используются дополнительные транзисторы для каждой половины формы сигнала, и, хотя такие устройства имеют намного большее усиление, чем у класса A, основным недостатком двухтактных аппаратов класса B является то, что они подвержены эффекту, известного как искажение кроссовера.
[adsens1]
В чистом классе B выходные транзисторы «предварительно не смещены» в состояние «ВКЛ». Это означает, что часть формы выходного сигнала, которая падает ниже 0,7 вольтового значения, не будет c точностью воспроизведена. Потому что, при переходе между двумя транзисторами (когда они переключаются с одного транзистора на другой) транзисторы не останавливаются или не начинают проводить сигнал точно в точке пересечения нуля, даже если это специально подобранные пары.
Выходные транзисторы для каждой половины формы сигнала (положительной и отрицательной) будут иметь область 0,7 В, в которой они являются не проводящими.
В результате оба транзистора выключаются в одно и то же время. Простой способ устранить перекрестные искажения в классе B — добавить в схему два небольших источника напряжения, чтобы сместить оба транзистора в точке, немного превышающей их границу отсечки.
Это тогда дало бы нам то, что обычно называют схемой усилителя класса AB. Однако нецелесообразно добавлять дополнительные источники напряжения в схему усилителя, поэтому для обеспечения дополнительного смещения используются PN-переходы в виде кремниевых диодов.
Усилитель класса AB
Для того, чтобы напряжение базового эмиттера было больше 0,7 В, а кремниевый биполярный транзистор начал выполнять проводку сигнала, нам пришлось заменить два резистора делителя напряжения, подключенных к базовым клеммам транзисторов, двумя кремниевыми диодами.
Напряжение смещения, приложенное к транзисторам, теперь будет равно прямому падению напряжения этих диодов. Эти два диода обычно называют смещающими или компенсирующими диодами и выбираются так, чтобы соответствовали характеристикам согласующих транзисторов.
Схема ниже показывает смещение диода.
Схема усилителя класса AB является компромиссом между конфигурациями класса A и класса B. Очень маленькое напряжение смещения диода заставляет оба транзистора слабо проводить, даже когда нет входного сигнала. Форма входного сигнала приведет к тому, что транзисторы будут работать как обычно в своей активной области, тем самым устраняя любые искажения кроссовера, присутствующие в чисто усилительных конструкциях класса B.
Небольшой ток коллектора будет течь, когда нет входного сигнала, но он намного меньше, чем для конфигурации усилителя класса А. Это означает, что транзистор будет включен в течение половины прохождения цикла сигнала, но намного меньше, чем полный цикл, давая угол проводимости от 180° до 360° или от 50% до 100% входного сигнала в зависимости от величины дополнительного смещения.
Величина напряжения смещения диодов, присутствующего в базовой цепи транзистора, может быть увеличена кратно, путем добавления дополнительных диодов последовательно.
Усилители класса B значительно предпочтительнее, чем конструкции класса A для мощных приложений, таких как усилители мощности звука и акустические системы.
Как и в схеме усилителя класса A, одним из способов значительно повысить коэффициент усиления по току (Ai) двухтактного усилителя класса B является использование пар транзисторов Дарлингтона вместо отдельных транзисторов в его выходном каскаде. В следующем уроке об усилителях мы более подробно рассмотрим эффекты кроссоверного искажения в схемах усилителей класса B и способы уменьшить его влияние.
Классы усилителей | AVTOUSILOK
Всем привет!
В этой статье мы рассмотрим:
- Что такое класс усилителя звука;
- Какой класс усилителя лучше: A, B, AB, H, D;
- В чем их достоинства и недостатки;
- и многое другое.
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.
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.
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. А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.
Усилители класса АНо 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%.
Усилители класса B
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. 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.
Усилители класса АB
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).
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.
Усилители класса Super А
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»).
Усилители класса G
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.
Усилители класса H
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.
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. 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.
Преимущества усилителей класса D.
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).
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.
Материал взят из свободного доступа в интернете, выражаю благодарность настоящему автору этого труда.
Усилители класса B и AB — Усилители
Усилители
Усилители класса А, описанные ранее, обычно используются в оборудовании, в котором большие выходная мощность не требуется, и высокая энергоэффективность не является доминирующей фактор. Эти усилители используются в основном в приложениях, требующих минимум искажений. Используются двухтактные усилители мощности класса B . в основном в оборудовании, требующем высокой выходной мощности и высокой энергоэффективности.
Идеальный усилитель класса B
Давайте сначала посмотрим на идеальную работу этого типа усилителя и
затем изучите реальную работу двухтактной схемы.
Базовая схема двухтактного усилителя класса B показана на рисунке ниже.
В этой схеме ток входного сигнала вводит напряжение во вторичную обмотку.
обмотка трансформатора Тр 1 . Один конец вторичной обмотки
станет положительным, в то время как другой конец становится отрицательным, когда речь идет о
центр крана. Таким образом, входной сигнал на
усилитель Q 1 будет инвертирован
по отношению к входному сигналу усилителя Q 2 .
Эта инверсия полярности между двумя возбуждающими сигналами необходима для правильного
Работа двухтактного усилителя. Эти два входных сигнала также должны быть
равны по величине.
Если межкаскадная трансформаторная связь нежелательна, трансформатор Tr 1 может быть заменен одним из
схемы фазоинверторов.
Двухтактный усилитель класса B на идеальных транзисторах.
Поскольку входной трансформатор Tr 1 подает два напряжения
одинаковая амплитуда, но сдвинутая по фазе на 180 градусов по отношению к центральному отводу,
один транзистор отключен, в то время как другой проводит.
Если
верхний транзистор открыт, ток течет через выходной трансформатор Тр 2 в
направление коллектора верхнего транзистора, через транзистор,
и обратно через батарею в центральном проводе цепи. Мало или нет
ток течет в нижней половине первичной обмотки в течение этого периода полупериода,
потому что нижний транзистор в выключенном состоянии ведет себя как разомкнутая цепь.
В течение следующего полупериода верхняя
транзистор выключен, а нижний блок вызывает протекание тока через
нижнюю часть трансформатора, как показано на рисунке выше.
Кривые динамической передаточной характеристики двухтактный усилитель класса B с идеальными транзисторами, показывающий формы входных и выходных сигналов.
Индикация формы волны выходного тока для заданного входного сигнала может быть
получено с учетом динамического переноса характеристика для усилителя. Эта характеристика для одного из
транзисторов, показан на виде А на рисунке выше. Вариации на выходе
(коллекторный) ток отображается в зависимости от входного (базового) напряжения под нагрузкой
условия.
Поскольку используются два транзистора, общая динамическая передача
характеристика двухтактного усилителя получается размещением
две кривые (вид A на рисунке выше) расположены вплотную друг к другу.
две кривые показаны вплотную друг к другу и объединены (вид B на рисунке выше).
В представлении C на рисунке выше точки на входном базовом напряжении (синусоида)
проецируются на кривую динамической передаточной характеристики.
Соответствующие точки определяются и проецируются, как указано, чтобы сформировать
Форма выходного тока коллектора.
Как мы видим на рисунке выше, если каждый транзистор имеет линейную (идеальную) передачу характеристика, которая начинается в начале координат, затем при нулевом смещении каждый транзистор будет иметь выходной ток, состоящий из серии полусинусоидальных волн. Выходной трансформатор подает на нагрузку хорошую синусоиду напряжения. Каждый транзистор эффективно действует как усилитель полуволны и несет общую нагрузку за половину каждого цикла.
Основная проблема в реальной версии двухтактной схемы класса B заключается в следующем.
перекрестное искажение . Поскольку это реальная схема, транзисторы не
проводить, когда напряжение база-эмиттер близко к нулю. В результате
передаточная характеристика для одного транзистора не является
прямая, проходящая через начало координат. Входное напряжение должно подняться до
примерно 0,7 В, прежде чем передаточная характеристика станет достаточно линейной.
Поскольку это значение является заметной частью общего управляющего напряжения,
значительная часть выходной волны отсекается от центра, как показано на
рисунок ниже.
Кривые динамической передаточной характеристики двухтактный усилитель класса B с настоящими транзисторами, показывающий входные и выходные сигналы.
Кроссоверные искажения становятся более серьезными при низком уровне сигнала.
входные токи (напряжения). Этот тип искажения может быть устранен с помощью небольшого
прямое смещение на обоих транзисторах двухтактного усилителя, в результате
операция класса АВ. В кремниевых транзисторах величина этого смещения равна
около 0,7 В.
Усилитель класса AB
Поскольку передаточные функции всех транзисторов имеют радикальную кривизну в области низких текущий регион, операция класса AB обычно предпочтительнее класса B. В работе класса AB базы смещены к напряжению, которое вызывает протекание значительного количества тока коллектора в каждый транзистор. Двухтактная схема класса AB со схемой смещения показано на рисунке ниже. Делитель напряжения образован резисторами R 1 и R 2 . Напряжение вырабатывается на резисторе R 1 расходные материалы смещение база-эмиттер для обоих транзисторов. Это небольшое прямое смещение подавляет кроссоверное искажение.
Двухтактный усилитель класса AB.
Напряжение смещения для цепей класса AB можно отрегулировать так, чтобы ток
течет за любой период от 180 градусов до 360 градусов, давая режимы
работа от чуть выше класса B до класса A включительно
двухтактная операция. Значения смещения, близкие к классу B, используются для высокой эффективности,
хотя условия класса А обычно вызывают меньшие общие искажения.
Компромиссы
может привести к условиям смещения между этими двумя крайностями.
Воспользовавшись тем, что транзисторы доступны в двух полярности (NPN и PNP), простой метод устранения необходимости входной трансформатор (или для фазоинвертора) и для выходного трансформатора доступен. Получившаяся схема чрезвычайно проста и состоит из параллельная комбинация транзистора PNP и NPN (см. следующий раздел).
Что такое усилитель класса AB? Давайте узнаем! – Stampsound.com
В чудесном мире усиления доступно так много возможностей. В этой статье я расскажу о различиях между разными классами усилителей.
Усилитель класса AB или класса A/B представляет собой комбинацию конструкции и технологии усилителя класса A и класса B, которая имеет плюсы обоих, но не имеет минусов. Усилители класса AB имеют низкий уровень искажений по сравнению с усилителями класса B и более эффективны, чем усилители класса A.
Задача усилителя состоит в том, чтобы усиливать сигналы, полученные от предусилителя, практически без добавления искажений к сигналу.
Вы увидите «класс усилителя», упомянутый в названии продукта или в спецификации. Это обозначает топологию усилителя (функцию). Это не просто система маркировки или оценки.
«Класс усилителя» относится к конструкции усилителя и представлен одной или двумя буквами, такими как класс A, класс B, класс A/B и т. д. Несмотря на то, что существует множество типов конструкций и классов, классы A, A/B и D являются наиболее часто встречающимися типами в потребительском домашнем аудиооборудовании.
У каждого класса есть свои плюсы и минусы, и в этом посте мы рассмотрим усилители класса A/B, а также краткий обзор других классов и их сравнение друг с другом.
Усилители A/B: схемы, звуки и использование
Усилители класса А имеют превосходное усиление, но их КПД составляет менее 50%, т. е. преобразование источника питания переменного тока в выходную мощность переменного тока плохое. Усилители класса B имеют гораздо лучший КПД (около 70-75%), но они склонны к искажению выходного сигнала.
Хороший усилитель должен обладать обеими этими характеристиками без недостатков. С этой целью усилители класса A/B были разработаны, чтобы преодолеть недостатки своих предшественников, объединив их характеристики для обеспечения большей эффективности (преобразование постоянного тока в переменный) и относительно меньшего искажения.
Проще говоря, для слабого сигнала усилитель класса AB будет работать как усилитель класса A, и оба транзистора будут активны. В то время как для больших сигналов они действуют как усилители класса B, используя только один транзистор для половины формы сигнала.
Последнее достигается с помощью двух транзисторов, предварительно смещенных в выходном каскаде усилителя для проведения между 180 o и 360 o формы входного сигнала, что зависит от величины выходного тока и вышеупомянутого предварительное смещение.
Класс усилителя: что это значит?
Классы усилителей — это «рабочие классы», которые не являются просто системой маркировки.
Это номенклатура, которая представляет систему или схему и смещение устройств/транзисторов. Обозначение класса предназначалось для обозначения линейности по сравнению с эффективностью, а также для обозначения того, когда на рынок был представлен новый класс. Классы усилителей разделены на 2 группы:
- a) Традиционные или традиционные усилители с углом проводимости, такие как классы A, B и AB
- b) Современные «переключающие» усилители, такие как классы D, F, G и т. д.
Новые усилители (класса D и выше) используют цифровые схемы наряду с технологией ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Это означает, что они постоянно переключают сигнал между включенным и выключенным. Однако чаще всего в аудиоусилителях используются классы A, B и AB, и мы рассмотрим их более подробно.
Посмотрите отличное видео от PS Audio, в котором обсуждаются усилители класса AB.
Усилитель класса A: обзор
Усилители класса A (также называемые несимметричными усилителями) являются простейшими из всех типов усилителей.
Они являются «несимметричными», в отличие от двухтактных аналогов класса –AB и –B. В них используются постоянно включенные выходные транзисторы, которые никогда не выключаются независимо от формы выходного сигнала. Это означает, что усилитель работает во всем диапазоне входного цикла.
Это вызывает специфическую особенность усилителей класса А, заключающуюся в том, что они сильно нагреваются. Это означает, что они рассеивают много тепла (энергии), что приводит к потере мощности. Несмотря на то, что они имеют низкую эффективность и в основном низкий выходной сигнал, они ценятся за их высокую линейность звука, поскольку они используют 100% входного сигнала.
Линейность в данном контексте — это способность усилителя воспроизводить точные копии входного сигнала.
Усилители класса А наиболее известны своей кремовой серединой и отличной детализацией. Однако они не используются в коммерческих целях, так как не обладают достаточной мощностью.
Они также имеют тенденцию быть дорогими. Однако существуют определенные типы/стили/жанры музыки, для которых они могут быть уместны и предпочтительны.
Усилители класса А были популярны и широко использовались в конструкции гитарных усилителей 1940-х и 50-х годов.
Это была эпоха Vox AC4 и Fender Champ. Gibson Gibsonette, популярный усилитель класса А конца 50-х годов, популярен на винтажном рынке. Он пользуется большим спросом у коллекционеров гитар и аудиофилов из-за его раннего распада и винтажного тона.
Другие новые модели и инновационные конструкции, хотя и не такие популярные, все еще доступны на текущем рынке. Reisong A10 EL34 — хороший пример для домашнего использования. Douk U3 также является популярным HiFi-усилителем для наушников, популярным для домашнего использования.
Ознакомьтесь с популярным Reisong A10 EL34 здесь, на Amazon.
Усилитель класса B: обзор
Усилители класса B также известны как двухтактные усилители, поскольку они состоят из двух устройств (транзисторов), каждое из которых смещено для проведения в течение половины периода волны.
Проще говоря, усилители с двумя согласующими транзисторами проводят входной сигнал на 180 градусов цикла в двухтактном цикле непрерывного тока нагрузки.
Обычно, если бы в конструкции был только один элемент (например, усилитель класса А), это вызывало бы слишком много искажений. Эта конструкция улучшает класс A за счет более эффективного использования энергии и меньшего выделения тепла. Это означает, что они могут быть до 50% более эффективными, чем усилители класса А.
Вот почему эта конструкция была предпочтительнее усилителей класса А в коммерческих акустических системах и приложениях высокой мощности. К сожалению, они печально известны перекрестным искажением и не идеальны для прослушивания аудио. На самом деле, в вы вряд ли найдете какое-либо устройство, которое является «чистым усилителем класса B».
Усилитель класса D: обзор
Люди часто путают усилители класса D с цифровыми усилителями, хотя они являются лишь следующим алфавитом в ряду моделей.
Если вам интересно, почему мы пропустили класс C, этот термин используется для неаудиоусилителей, используемых в радиочастотных (РЧ) передатчиках.
Усилители класса D используют импульсную модификацию и несколько устройств вывода, которые всегда активны, даже когда усилитель не используется. Они используют МОП-транзистор ( металл оксид полупроводник полевой транзистор e эффект ) или электронные лампы и имеют КПД 90% или более в реальных приложениях.
Высокая энергоэффективность и малый вес делают их наиболее популярным типом усилителей мощности и сабвуферов в автомобилях. В последнее десятилетие они вытеснили усилители класса AB как самый популярный выбор усилителей для музыкальных инструментов.
Вопросы по теме: Часто задаваемые вопросы о классах усилителей
Чем наиболее известны усилители класса А?
Усилители класса А использовались в качестве тренировочных усилителей для студентов в 50-х и 60-х годах.
Сегодня они являются коллекционными или «нишевыми» усилителями, которые можно купить (бывшие в употреблении или новые) из-за их отчетливых насыщенных средних тонов и высокой точности воспроизведения. Они стали популярны в гитарном мире в конце 80-х с появлением «бутик-усилителей», таких как Matchless Amplifiers.
Какой усилитель лучше? Класс A, класс B или класс AB?Для большинства пользователей усилитель класса AB является самым дешевым, широко доступным и практичным вариантом.
Усилители класса AB на 60 % более эффективны, чем усилители класса A, а также имеют низкий уровень шума по сравнению с усилителями класса B.
Класс A может использоваться в очень специфических приложениях, где особенно важно качество сигнала.
Являются ли усилители класса AB лучше, чем усилители класса D?
Класс D и класс AB — два наиболее распространенных класса на современном рынке.
Преимущества усилителей класса D в том, что они дешевы, легки и высокоэффективны . Тем не менее, он не так хорош, как усилитель класса A/B, даже несмотря на то, что маркетинговая шумиха вокруг усилителей класса D может сбить вас с толку, заставив поверить в обратное.
Помимо упомянутых плюсов и минусов, я бы рекомендовал класс D для сабвуферов и класс AB для всех остальных целей.
Чем хорош усилитель? На что обратить внимание при покупке усилителя?
Линейность, энергоэффективность и усиление сигнала — основные характеристики, на которые следует обращать внимание в хорошем усилителе.
Однако одному классу усилителей очень сложно обеспечить наилучшие из всех этих характеристик.
В реальном мире вы увидите компромисс между ними, поэтому разные классы усилителей будут лучше подходить и практичнее в определенных ситуациях, т. е. в зависимости от контекста.
Заключительные мысли:
Таким образом, усилитель класса AB, часто обозначаемый как класс A/B, представляет собой комбинацию конструкций классов A и B для создания третьего варианта, обладающего всеми преимуществами и лишенного недостатков.
Тем не менее, важно отметить, что проектирование, дизайн и конструкция играют не менее важную роль в качестве усилителя, а класс вторичен.
Во многих случаях класс является спорным, когда речь идет об определенных применениях усилителя.
Например, усилитель класса А мощностью 500 Вт будет более полезен для обогрева помещения, чем для любого звукового приложения. Различные классы могут играть небольшую роль, но они не влияют на качество звука. Основное различие будет проявляться в эффективности (производительности), весе устройства и стоимости.
