Класс усилителя. Классы усилителей: от А до D — особенности работы и применение

Какие существуют основные классы усилителей. Чем отличаются усилители класса А, B, AB и C. Каковы преимущества и недостатки разных классов усилителей. Где применяются усилители разных классов.

Основные классы усилителей и их характеристики

Существует несколько основных классов усилителей, которые отличаются режимом работы активных элементов:

• Класс А — активные элементы проводят ток в течение всего периода входного сигнала (360°)
• Класс B — активные элементы проводят ток в течение половины периода входного сигнала (180°)
• Класс AB — промежуточный между A и B, проводимость более 180°, но менее 360°
• Класс C — проводимость менее 180°

Выбор класса усилителя определяется требованиями к линейности, КПД и другим параметрам для конкретного применения.

Усилители класса А: максимальная линейность

Ключевые особенности усилителей класса А:

• Максимальная линейность и минимальные искажения
• Активные элементы проводят ток постоянно (360°)
• Низкий КПД — обычно менее 50%
• Высокое энергопотребление и тепловыделение
• Применяются в предусилителях, малошумящих усилителях

Усилители класса А обеспечивают наилучшее качество звука, но имеют низкую энергоэффективность. Их применение ограничено маломощными каскадами.

Усилители класса B: повышенный КПД

Основные характеристики усилителей класса B:

• Активные элементы проводят ток половину периода (180°)
• Более высокий КПД — до 70-75%
• Меньшее энергопотребление и тепловыделение
• Пониженная линейность, появление искажений
• Часто используется двухтактная схема

Усилители класса B позволяют значительно повысить КПД по сравнению с классом А, но имеют проблемы с линейностью, особенно при малых сигналах.

Усилители класса AB: золотая середина

Усилители класса AB сочетают преимущества классов A и B:

• Проводимость активных элементов более 180°, но менее 360°
• Хороший компромисс между линейностью и КПД
• КПД выше, чем у класса A, но ниже, чем у B
• Меньше искажений, чем у класса B
• Широко применяются в аудиотехнике

Класс AB позволяет получить приемлемую линейность при достаточно высоком КПД, что делает его оптимальным выбором для многих применений.

Усилители класса C: максимальный КПД

Особенности усилителей класса C:

• Проводимость активных элементов менее 180°
• Максимально высокий КПД — до 90%
• Сильные нелинейные искажения
• Применяются в радиопередатчиках

Усилители класса C обеспечивают наивысшую энергоэффективность, но имеют очень низкую линейность. Их применение ограничено узкополосными радиочастотными системами.

Сравнение характеристик разных классов усилителей

Основные параметры усилителей разных классов можно сравнить следующим образом:

• Линейность: A > AB > B > C
• КПД: C > B > AB > A
• Искажения: A < AB < B < C
• Тепловыделение: A > AB > B > C

Выбор оптимального класса усилителя зависит от требований конкретного применения к линейности, КПД, уровню искажений и другим параметрам.

Области применения усилителей разных классов

Типичные области применения усилителей различных классов:

• Класс A — малошумящие усилители, предусилители, высококачественная аудиотехника
• Класс B — мощные выходные каскады аудиоусилителей
• Класс AB — универсальные аудиоусилители, выходные каскады
• Класс C — радиопередатчики, генераторы

В современной аппаратуре часто используются комбинации разных классов усиления в одном устройстве для достижения оптимальных характеристик.

Эволюция классов усилителей

Развитие технологий привело к появлению новых классов усилителей:

• Класс D — импульсные усилители с высоким КПД
• Класс G — усилители с переключаемым напряжением питания
• Класс H — усилители с плавающим напряжением питания
• Класс T — цифровые усилители на основе ШИМ

Новые классы позволяют улучшить характеристики усилителей, в первую очередь повысить КПД при сохранении высокой линейности. Это особенно важно для портативных и автомобильных аудиосистем.

Особенности работы усилителя класса D

Усилители класса D имеют ряд уникальных особенностей:

• Работают в ключевом режиме
• Используют ШИМ или PDM модуляцию
• Очень высокий КПД — до 90-95%
• Малые габариты и тепловыделение
• Требуют выходного фильтра

Благодаря высокой эффективности усилители класса D широко применяются в портативной технике, автомобильных аудиосистемах, активных акустических системах. Современные усилители класса D по качеству звучания приближаются к аналоговым.

Выбор оптимального класса усилителя

При выборе класса усилителя следует учитывать следующие факторы:

• Требования к линейности и уровню искажений
• Необходимый уровень выходной мощности
• Ограничения по энергопотреблению и тепловыделению
• Диапазон рабочих частот
• Стоимость и сложность реализации

Для большинства современных аудиоприменений оптимальным выбором являются усилители класса AB или D. В профессиональной аппаратуре по-прежнему широко используются усилители класса A.

Автозвук: производители объясняют, что такое «класс усилителя»

Что такое «класс усилителя»? На самом деле слово «класс» в данном случае обозначает принцип работы усилителя. 

Класс А 
Этот класс по праву считается безнадёжно устаревшим. В настоящее время его можно встретить, пожалуй, только в домашней аудиотехнике, да и то всё реже. Главное достоинство таких усилителей — минимальные искажения на малых уровнях сигнала, они прекрасно передают мельчайшие нюансы. А вот на высоких уровнях сигнала всё уже далеко не так прекрасно. К тому же КПД таких усилителей редко превышает 30%, основная часть энергии уходит в тепло, из-за чего они очень сильно греются. В автомобильной технике таких усилителей единицы, и в основном это старые модели.

Класс В 
Такие усилители имеют низкий ток покоя (почти не потребляют энергии при отсутствии сигнала). Как следствие, у них более высокий КПД. Но из-за особенностей своей работы имеют и более высокий коэффициент гармонических искажений на малой громкости. Впрочем, на высокой громкости они уже не так заметны. В классе В работают подавляющее большинство недорогих, но мощных автомобильных усилителей, несмотря на то, что на них пишут «Класс АВ».

Класс АВ
«Золотая середина» между классами А и В. Усилители АВ-класса намного эффективнее усилителей А-класса и имеют заметно меньшие искажения, чем усилители B-класса. Оригинальные схемные решения позволили получить в этих моделях очень высокое качество звука при совсем небольшой цене.

Класс D 
Многие называют такие усилители «цифровыми», хотя это неправильно. Буква D действительно пошла от слова Digital, но в данном случае оно переводится как «импульсный». В таких усилителях входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов разной длительности: выше амплитуда — импульс длиннее, ниже амплитуда — импульс короче.

Импульсный сигнал усиливается, как и в обычных усилителях, но из-за того, что выходные каскады работают в «ключевом режиме» (включено-выключено, без промежуточных значений), потери получаются минимальными, а КПД очень высоким. Перед подачей на динамик импульсный сигнал проходит через LC-фильтр (катушка индуктивности и конденсатор) и снова приобретает исходную непрерывную (аналоговую) форму.

Существует стереотип, что усилители класса D уступают качеством звучания традиционным усилителям класса АВ. И так действительно было лет десять-пятнадцать тому назад. Но сегодня даже консервативный домашний High End вовсю строится на D-классе. Причина проста — современная элементная база позволяет поднять несущие частоты (частоты следования импульсов) до 400 и даже выше килогерц. Более того, D-класс сейчас даже лучше подходит для систем, ориентированных на аудиоформаты высокого разрешения (Hi-Res Audio).

Информация подготовлена агентством автомобильных новостей «Автолайн»

Классы усилителей

Вы наверное уже слышали про классы усилителей, их обычно называют латинскими буквами или их сочетаниями — A, AB1, AB2, B, C и т.д. Что же они все означают?

Давайте на время забудем о цифрах — мы вернемся к ним позже. Сейчас мы посмотрим поближе на варианты классов A, B и С, и, чтобы все было понятно, еще раз рассмотрим, как в действительности работают электронные вакуумные лампы (радиолампы).

Простая схема усилителя с радиолампой

Если вы знаете, как работают радиолампы, то можете сразу переходить к разделу «Классы работы».

На изображении мы подключили триод к паре элементов питания и паре измерительных приборов.

Начиная с левой части изображения, отметим, что на рисунке сделано следующее подключение — батарейка (элемент питания) включена между сеткой радиолампы и общим проводником — «землей». Вольтметр подключен параллельно батарейке, чтобы узнать, какое напряжение батарейка отдает на сетку.

Обратите внимание, что батарейка подключена наоборот (кверху ногами), поэтому напряжение на сетке будет отрицательным по отношению к земле.

На правой части рисунка у нас гораздо большая батарейка с миллиамперметром для измерения количества тока, выдаваемого анодом нашей лампы.

Обычно сетка должна иметь более отрицательное значение напряжения на один-два вольта для лампы предварительного усиления и 40 или более вольт для лампы, используемой в выходном каскаде усилителя. Этот факт мы называем напряжением смещения лампы.

Усиление

Изменяя напряжение на сетке, мы можем изменять ток, проходящий через анод — это способ достижения усиления.

Посмотрите на диаграмму (ее еще называют вольт-амперной характеристикой, прим. автора) — она показывает что происходит с нашей лампой при изменении напряжения на сетке. С увеличением
напряжения на ней, соответственно, увеличивается и анодный ток. Очень важно отметить, что лампа преобразует входное напряжение в выходной ток.

Вне зависимости от того, используется ли лампа для предварительного усиления, или же как лампа выходного каскада, вышеуказанные принципы остаются неизменными. Теперь, когда мы вспомнили как работают радиолампы, мы можем рассмотреть различные классы их работы в выходных каскадах усилителей.

Классы работы усилителей

Посмотрите на диаграмму ниже. Кривая вольт-амперной характеристики лампы взята из предыдущего графика, а красной точкой обозначено установленное напряжение смещения, грубо говоря, посередине кривой.

Если теперь мы наложим сигнал на напряжение сетки (In), анодный ток начнет изменяться увеличиваясь и уменьшаясь в соответствии с изменением напряжения сетки, формируя график выходного сигнала (Out).

Как и предполагалось в названии — это класс А. Основное преимущество класса А в том что лампа выдает выходной ток все время, т.е. постоянно. Обратите внимание, что выходной ток (на графике «Out») никогда не опускается до нуля.

Некоторые выходные каскады усилителей выполнены в классе А (такие как VOX AC-30), и все каскады предварительного усиления тоже в классе А.

Ладно, с Классом А разобрались, а что есть класс B? На графике справа мы установили точку смещения в месте, когда лампа практически перестает работать, т. е. проводить ток.

Обратите внимание, что входной сигнал теперь имеет гораздо более высокую амплитуду для того, чтобы заставить лампу работать. При этом лампа формирует выходной ток представляющий из себя только одну половину формы выходного сигнала.

Чтобы как-то заставить работать подобное решение, нам придется применить пуш-пульный (push-pull – «тяни-толкай» прим. перев.) выходной каскад, который состоит из двух ламп (или двух наборов ламп) для того, чтобы каждая сторона усиливала свою половину полуволны сигнала. В то время как первая выходная лампа дает выходной ток как показано справа, вторая лампа заполняет пропуски в работе первой.

На данном этапе вы уже наверное догадались что представляет собой класс АВ — это где-то посередине между А и В. А где именно — зависит от вашего воображения!

В нашем графике, изображающем работу ламп в классе АВ, малое количество тока смещения проходит через лампу.

Для выходных ламп в обычном, стандартном гитарном усилителе класса АВ, его количество колеблется в пределах 30-40 миллиампер, с пиками приблизительно в районе 250-300 миллиампер.

В пуш-пульном выходном каскаде присутствует небольшой взаимный перехлест, поскольку каждая лампа помогает соседке во время короткого перехода или в переходный период.

Многие большие гитарные усилители работают в классе АВ, и ниже мы рассмотрим почему.

Переходные искажения

Класс В страдает от одной основополагающей проблемы, которая присутствует только в в пуш-пульных усилителях. Проблема состоит в том, что на практике сигналу в виде волны приходится осуществлять плавный переход от одной полуволны к другой.

Когда выходные токи обеих ламп складываются в выходном трансформаторе, то на графиках, изображающих работу ламп в классе В, можно наблюдать «ступеньку» — рисунок ниже. Усилители класса АВ
точно так же могут страдать от данного эффекта, если ток смещения слишком мал.

Суммируя можно сказать следующее:

• Усилители класса В в основном обладают небольшими переходными искажениями.
• Усилители класса АВ могут обладать небольшими переходными искажениями
• Усилители класса А не обладают искажениями перехода, поскольку обе лампы работают синхронно>.

Казалось-бы, решением может быть использовать режим включения ламп в Классе А для гитарных усилителей. Тогда не придется беспокоиться о переходных искажениях вовсе, Но …

Эффективность

Классы АВ и В существуют по определенным причинам, о которых мы говорили выше. Если мы вернемся к диаграмме, изображающей работу лампы в классе А, то увидим, что она постоянно выдает выходной ток, без перерывов. Чтобы получить большую выходную мощность от усилителя в классе А, его обычно загоняют в такой режим, когда током смещения задают предельный мощностной режим лампы, исходя из того, сколько она может выдержать.

Это не так эффективно, как класс В, принцип работы которого позволяет выдавать ток в том количестве, которое необходимо, или как класс АВ, который можно назвать гибридом того и другого.

Меньшая эффективность класса А означает, что в результате работы лампы рассеивается больше тепла для обеспечения тех же значений выходной мощности, что и для других классов. Давайте проведем сравнение класса А на паре ламп типа EL34 и класса В на тех же лампах.

Итак, информация изготовителя лампы типа EL34 говорит о способе ее применения в однотактном классе А, построенном из расчета ограничения максимальной мощности рассеивания анода, равной 25 Ваттам. 11 Ватт выходной мощности будут иметь 1 0% общего количества гармонических искажений сигнала (THD – Total Harmonic Distortion, прим. перев.).

Для пуш-пульного усилителя класса А выходные цифры удваиваются до 22 Ватт, поскольку используются две лампы. Далее, смотрим описание — там перечислены параметры для класса В. Заявленная мощность выхода 1 00 Ватт при 5% гармонических искажений — это однозначно выше чем 22 Ватта в классе А.

Имея в виду данное обстоятельство, нетрудно подсчитать, что вам понадобится десять EL34 для 100-ваттного усилителя в классе А, и всего две для Класса В. В гибридных усилителях Класса АВ, четыре лампы EL34 обычно используются для раскачки 100-ваттного динамика, как например в Marshall.

Прочие классы усилителей

Существуют и другие классы, такие как С, который сдвигает смещение сетки еще больше влево. Эти классы нецелесообразно использовать в гитарных усилителях, они больше подходят для применения в аппаратах с радиочастотными сигналами, которые используют настроечные цепи для избавления от искажений

Цифры в классах

Ах, да, цифры. Есть еще Классы А1, А2, АВ1, АВ2 и т. д., все это относится только к ламповым усилителям. Самая простая схема с «1» показывает, что лампа не генерирует никакого сеточного тока. «2» показывает, что в лампе выходного каскада сеточное напряжение загоняется выше отметки 0 вольт до положительных значений сеточного напряжения, заставляя сетку выдавать определенный ток от предыдущего (предусилительного) каскада.

Оригинал взят с www.duncanamps.com, © Duncan Munro. Перевод — arky

Свободу ушам или четыре схемы усилителей для наушников →

← Еще раз про любовь к хорошему звуку или снова о «звучащем железе»

 

Классы эксплуатации усилителей — биполярные транзисторы

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В предыдущих обсуждениях мы предполагали, что для каждой части входного сигнала есть выходной сигнал усилителя. Это не всегда так с усилителями. Может быть желательно, чтобы транзистор проводил только часть входного сигнала. Участок входа, для которого есть выход, определяет класс работы усилителя. Существует четыре класса операций усилителя. Это класс А, класс АВ, класс В и класс С.

Работа усилителя класса А

Усилители класса А смещены таким образом, что изменения полярности входного сигнала происходят в пределах CUTOFF и SATURATION. Например, в PNP-транзисторе, если база становится положительной по отношению к эмиттеру, дырки будут отталкиваться в PN-переходе, и в цепи коллектора не будет протекать ток. Это состояние известно как отсечка. Насыщение происходит, когда база становится настолько отрицательной по отношению к эмиттеру, что изменения сигнала не отражаются на протекании тока коллектора.

Смещение усилителя таким образом помещает рабочую точку постоянного тока между отсечкой и насыщением и позволяет току коллектора течь в течение полного цикла (360 градусов) входного сигнала, таким образом обеспечивая выход, который является копией входа. На предыдущем рисунке показан пример усилителя класса А. Хотя выходной сигнал этого усилителя не совпадает по фазе с входным на 180 градусов, выходной ток все еще течет в течение всего времени на входе.

Усилитель класса А используется в качестве аудио- и радиочастотного усилителя в радио, радарах и звуковых системах, и это лишь несколько примеров.

Для сравнения выходных сигналов для различных классов работы усилителя обратитесь к рисунку ниже во время последующего обсуждения.

Работа усилителя класса AB

Усилители, предназначенные для работы в классе AB, смещены так, что ток коллектора равен нулю (отсечка) для части одного чередования входного сигнала. Это достигается за счет того, что напряжение прямого смещения меньше пикового значения входного сигнала. При этом переход база-эмиттер будет смещен в обратном направлении в течение одного чередования на время, в течение которого напряжение входного сигнала противодействует и превышает значение напряжения прямого смещения. Следовательно, ток коллектора будет течь более чем на 180 градусов, но менее чем на 360 градусов от входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид B). По сравнению с усилителем класса А рабочая точка постоянного тока для усилителя класса АВ ближе к отсечке.

Усилитель класса AB обычно используется в качестве двухтактного усилителя для преодоления побочного эффекта работы класса B, называемого перекрестным искажением.

Работа усилителя класса B

Усилители, смещенные так, что ток коллектора отключается в течение половины входного сигнала, относятся к классу B. Рабочая точка постоянного тока для этого класса усилителей настроена так, что базовый ток равен нулю при отсутствии входного сигнала. При подаче сигнала один полупериод будет смещать в прямом направлении переход база-эмиттер, и ток Ic будет течь. Другой полупериод вызовет обратное смещение перехода база-эмиттер, и Ic отключится. Таким образом, для работы класса B ток коллектора будет протекать примерно на 180 градусов (половина) входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид C).

Усилитель класса B широко используется для аудиоусилителей, требующих высокой выходной мощности. Он также используется в качестве драйвера и каскада усилителя мощности передатчиков.

Работа усилителя класса C

В режиме класса C ток коллектора протекает менее чем за один полупериод входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид D). Работа класса C достигается за счет обратного смещения перехода эмиттер-база, которое устанавливает рабочая точка постоянного тока ниже точки отсечки и позволяет только той части входного сигнала, которая преодолевает обратное смещение, вызвать протекание тока коллектора.

Усилитель класса C используется в качестве усилителя радиочастоты в передатчиках.

Из предыдущего обсуждения можно сделать вывод, что класс работы усилителя определяют два основных параметра: (1) величина смещения и (2) амплитуда входного сигнала. При заданном входном сигнале и уровне смещения вы можете изменить работу усилителя с класса А на класс В, просто удалив прямое смещение. Также усилитель класса А можно поменять на класс АВ, увеличив амплитуду входного сигнала. Однако, если амплитуда входного сигнала увеличивается до такой степени, что транзистор переходит в состояние насыщения и отсечки, такой усилитель называется ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ усилителем.

Вы должны быть знакомы с двумя терминами, используемыми в отношении усилителей: ВЕРНОСТЬ и ЭФФЕКТИВНОСТЬ. Верность — это точное воспроизведение сигнала. Другими словами, если выход усилителя такой же, как и вход, за исключением амплитуды, усилитель имеет высокую степень точности. Противоположность верности — это термин, который мы упомянули ранее-искажение. Следовательно, схема с высокой точностью имеет низкий уровень искажений. В заключение, усилитель класса А имеет высокую степень точности. Усилитель класса AB имеет меньшую точность воспроизведения, а усилители классов B и C имеют низкую или «плохую» точность воспроизведения.

КПД усилителя относится к отношению мощности выходного сигнала к общей входной мощности. Усилитель имеет два источника входного питания: один от сигнала и один от источника питания. Поскольку для работы каждого устройства требуется мощность, усилитель, работающий на 360 градусов входного сигнала, потребляет больше энергии, чем если бы он работал на 180 градусов входного сигнала. Используя большую мощность, усилитель имеет меньшую мощность для выходного сигнала; таким образом, эффективность усилителя низкая. Так обстоит дело с усилителем класса А. Он работает на 360 градусов входного сигнала и требует относительно большой входной мощности от источника питания. Даже при отсутствии входного сигнала усилитель класса А по-прежнему использует питание от источника питания. Следовательно, выходная мощность усилителя класса А относительно мала по сравнению с общей входной мощностью. Это приводит к низкой эффективности, что приемлемо для усилителей класса А, поскольку они используются там, где эффективность не так важна, как точность воспроизведения.

Усилители класса AB смещены таким образом, что ток коллектора отключается для части одного чередования входного сигнала, что приводит к меньшей общей входной мощности, чем у усилителя класса A. Это приводит к лучшей эффективности.

Усилители класса B смещены с небольшим током коллектора или вообще без него в рабочей точке постоянного тока. При отсутствии входного сигнала мало тратится мощность. Поэтому КПД усилителей класса В еще выше.

Эффективность класса C является самой высокой из четырех классов работы усилителя.

Перейти в школу по классу радиочастотных усилителей мощности

Усилители мощности (УМ) усиливают входные сигналы с использованием различных схем усиления в зависимости от требований приложения и характера усиливаемых сигналов. Сигналы могут быть непрерывными (CW) или иметь множество форм импульсных сигналов с различной шириной импульса и рабочими циклами. Различные типы сигналов имеют разные потребности в усилении с точки зрения выходной мощности, коэффициента усиления, эффективности, линейности и других рабочих параметров.

В идеале усилитель работает с высокой эффективностью, поэтому большая часть его источника питания используется для увеличения амплитуды входного сигнала и высокой линейности, поэтому выходная мощность прямо пропорциональна входной мощности в большей части диапазона входной мощности. Однако в действительности разработчики идут на компромисс между эффективностью и линейностью в зависимости от требований конкретного приложения. Более низкая эффективность приводит к тому, что мощность преобразуется в тепло в полупроводниковых переходах УМ, которое необходимо рассеивать, чтобы избежать ухудшения характеристик и защитить усилитель и его активные устройства от перегрева. В то же время плохая линейность означает, что усилитель будет больше работать в нелинейной области своей кривой мощности, что может создавать искажения в виде гармоник и продуктов интермодуляции.

Приоритет зависит от характера приложения и задействованных сигналов. Например, некоторые входные сигналы, обычно встречающиеся в системах связи с амплитудной модуляцией (АМ) и/или фазовой модуляцией (ФМ), требуют сохранения соотношений амплитуды и фазы на входе усилителя вплоть до выходных сигналов с более высокой амплитудой. Усилитель с хорошей линейностью сохраняет соотношение AM и PM. УМ с плохой линейностью будет генерировать неприемлемые уровни интермодуляционных искажений (IMD) при усилении многотональных сигналов, обычно встречающихся в таких системах. В других приложениях, таких как радар, где используются импульсные сигналы, эффективность усилителя, усиление и выходная мощность могут быть более важными, и высокая линейность может не требоваться.

Различные классы усилителей были разработаны, чтобы помочь пользователям различать различные конфигурации и режимы работы, что приводит к различному балансу линейности, эффективности и других параметров. В этой статье объясняются основные характеристики и различия между наиболее распространенными классами ВЧ-усилителей (A, AB, B и C). Рассмотрены примеры из реальной жизни, чтобы проиллюстрировать типичную производительность.

Различные классы усилителей обозначаются заглавными буквами с различными конфигурациями от класса A до класса T, хотя наиболее распространенными являются следующие конфигурации:

• Класс A
• Класс B
• Класс C
• и гибридная конфигурация, известная как Класс AB

транзисторы усилителя включены или находятся в состоянии проводимости. Усилитель с активными устройствами в состоянии полной проводимости на 360° или «всегда включенным» будет потреблять больше энергии и иметь меньшую эффективность, чем усилитель с теми же устройствами, которые потребляют ток только при угле проводимости 180°. Для импульсного сигнала с коротким рабочим циклом усилитель с полным состоянием проводимости устройства может не понадобиться, а усилитель с высоким КПД может помочь сэкономить подаваемую на усилитель мощность и повысить эффективность.

Рис. 1. Различные классы усилителей используют свои активные полупроводниковые устройства с полной или частичной проводимостью для достижения различных уровней эффективности, необходимых для различных типов приложений и форм сигналов.

Усилители класса A

Усилители класса A предназначены для работы с активными устройствами с полной проводимостью 360°. Его транзисторы питаются или смещаются во включенном состоянии, потребляя ток и используя мощность 100% времени. Хотя эта конфигурация усилителя обеспечивает очень линейную характеристику и наилучшую точность воспроизведения сигнала от входа до выхода, она также является наименее эффективной из всех классов усилителей, обычно с эффективностью стока транзисторов усилителя менее 50%.

Низкий КПД означает более высокое энергопотребление, чем у усилителя с более высоким КПД. Это также обычно означает, что избыточное тепло, выделяемое активными устройствами, должно должным образом отводиться для поддержания производительности и ожидаемого срока службы. Избыточное тепло обычно рассеивается с помощью теплопроводных материалов, таких как радиаторы, которые увеличивают размер и вес конструкции.

Конфигурации усилителя класса А используются в малошумящих усилителях (МШУ) и других усилителях слабого сигнала, когда необходимы линейность и низкий уровень искажений, а уровни сигнала достаточно низки, так что выделение тепла из-за низкой эффективности усилителя не является проблемой. беспокойство, например, на входных каскадах PA. Но для усиления сигналов с более высокими уровнями выходной мощности необходимы другие конфигурации усилителей.

Усилители класса B

В усилителе класса B для экономии энергии и повышения эффективности используется только половина или 180° угла проводимости активных устройств. Это может быть достигнуто путем включения и выключения активных устройств. Одним из примеров конфигурации усилителя класса B является «двухтактный» усилитель с двумя транзисторами, один из которых проводит во время положительной части входного синусоидального сигнала, а другой проводит во время отрицательной части с более мощными частями. усиленные синусоиды объединяются на выходе усилителя.

Поскольку активные устройства в усилителе класса B проводят ток вдвое меньше времени, чем активные устройства в усилителе класса A, эффективность усилителя класса B может быть намного выше, чем усилителя класса A, поскольку высокая как 75% и обычно около 70% по сравнению с эффективностью менее 50% в усилителе класса A. Но включение и выключение углов проводимости устройства ухудшает линейность, о чем свидетельствуют более высокие многотональные искажения, такие как IMD.

Усилители класса AB

9Усилители класса AB 0002 сочетают в себе элементы усилителей классов A и B, чтобы получить преимущества обоих. Активные усилители класса AB работают с углом проводимости около 270°, что больше, чем 180° класса B, но меньше, чем 360° класса A, чтобы сбалансировать хорошую линейность с высокой эффективностью. Активные устройства не полностью отключаются после их включения на 180°, и для эффективного достижения угла проводимости 270° применяется небольшое количество энергии смещения, сводя к минимуму перекрестное искажение, которое может возникнуть в результате полного отключения устройства (как в усилитель класса B). Усилитель класса AB по линейности приближается к усилителю класса A, но с гораздо более высокой эффективностью, обычно от 50% до 70% эффективности стока.

Усилители класса C

Усилители класса C переключают активные устройства между настроенным и ненастроенным режимами, работая с малыми углами проводимости, обычно менее 90°, для более высокой эффективности, чем усилители класса A, B или AB, обычно более 80%. Они способны к высокой выходной мощности с высоким коэффициентом усиления, но переключение между режимами работы устройства имеет тенденцию к более нелинейной работе, чем усилители класса A, B или AB, что делает этот класс усилителей непригодным для модулированных сигналов.

Дополнительные классы усилителей, такие как класс D, E, F и G, и даже частные конфигурации, такие как класс T, используют подходы переключения между несколькими устройствами или методы смещения для активных устройств для достижения высоких уровней выходной мощности с высокой эффективностью. Усилители класса D, по сути, больше похожи на переключатели, чем на усилители, усиливающие входные сигналы с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и восстанавливающие переключаемые ШИМ-сигналы обратно в усиленные версии входных сигналов на выходе усилителя. Такие нелинейные усилители обычно используются для цифрового звука и приложений управления двигателем.

Что означают разные классы усилителей с точки зрения реальной производительности? В качестве примера усилителя класса А модель ZHL-20W-13+ представляет собой запатентованный 50-омный УМ компании Mini-Circuits со встроенной функцией отключения для защиты от перегрева (рис. 2). Он обеспечивает выходную мощность 20 Вт в диапазоне частот от 20 до 1000 МГц с типичным усилением 50 дБ и неравномерностью усиления ±1,8 дБ во всем диапазоне частот. Высокая выходная точка пересечения третьего порядка (OIP3) по отношению к выходной мощности при сжатии 1 дБ (P1dB) обычно является одним из признаков высокой линейности усилителя, а типичный OIP3 для этого усилителя класса A составляет +50 дБм при типичном P1dB +39дБм, что указывает на очень высокую линейность с низким уровнем искажений AM-AM. Усилитель потребляет ток 2,8 А от источника питания +24 В постоянного тока.

Рисунок 2: Модель ZHL-20W-13+ представляет собой запатентованный усилитель класса А с высокой линейностью и коэффициентом усиления 50 дБ в диапазоне частот от 20 до 1000 МГц.

Хотя сравнение и некорректно из-за более широкого частотного диапазона от 20 до 2700 МГц и более высокой выходной мощности в режиме насыщения 25 Вт, модель ZHL-25W-272+ от Mini-Circuits (рис. 3) является хорошим примером класса -АБ усилитель. Эта модель имеет усиление 50 дБ во всем диапазоне частот. Он обеспечивает типичный P1dB +40 дБм с типичным OIP3 +49.дБм, что свидетельствует о хорошей линейности, но не совсем о превосходной линейности модели ZHL-20W-13+. Тем не менее, эффективность добавленной мощности (PAE) этой модели составляет 24%, а у модели класса A выше — 15%, что свидетельствует о компромиссе, который мы ожидаем увидеть между различными классами дизайна. Модель ZHL-25W-272+ потребляет ток 3,5 А от источника питания +28 В постоянного тока.