Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром • Stereo.ru
Класс АВ — это тот тип усилителей, который до недавнего времени применялся в Hi-Fi-аппаратуре в разы чаще, чем любой другой. Сейчас над ним уже нависла угрожающая тень усилителей класса D, занимающих все большую долю рынка Hi-Fi, но пока модели класса АВ по-прежнему в большинстве и сдаваться так легко они не собираются. В классе АВ могут работать как ламповые, так и транзисторные схемы, но если говорить об абсолютном большинстве класс АВ ассоциируется скорее с эпохой транзисторного Hi-Fi.
Принцип работы
Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.
Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».
Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.
Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом.
Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.
Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.
Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.
На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись.
Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.
Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.
Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.
Плюсы
Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий.
Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.
Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.
Минусы
Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.
Особенности
Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.
В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик.
Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.
Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.
Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.
Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов.
Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.
Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.
Практика
Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.
Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей.
Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.
С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.
Звук
Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.
В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.
Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.
Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов.
По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.
Выводы
Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.
Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.
Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.
Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:
• Выбираем звукосниматель для проигрывателя винила
• Что лучше для звука — линейные или импульсные блоки питания? [видео]
• Музыка из бумаги и картона: краткая история вариофона и «рисованного звука»
Усилители мощности класса AB и класса C
Рассмотренный выше усилитель класса A и класса B имеет несколько ограничений. Давайте теперь попробуем объединить эти два, чтобы получить новую схему, которая имела бы все преимущества как усилителей класса A, так и класса B без их неэффективности. Перед этим давайте также рассмотрим еще одну важную проблему, называемую перекрёстным искажением , с которым сталкивается выход класса B.
Перекрёстное искажение
В двухтактной конфигурации два идентичных транзистора входят в проводимость, один за другим, и получаемый выходной сигнал будет комбинацией обоих.
Когда сигнал изменяется или переходит от одного транзистора к другому в точке нулевого напряжения, он вызывает искажения формы выходной волны. Для транзистора, чтобы провести, соединение эмиттера базы должно пересечь 0.7v, напряжение отключения. Время, необходимое транзистору для включения из состояния ВЫКЛ или для выключения из состояния ВКЛ, называется переходным периодом .
В точке нулевого напряжения переходный период переключения транзисторов с одного на другой оказывает свое влияние, что приводит к случаям, когда оба транзистора отключаются одновременно. Такие экземпляры можно назвать Плоским пятном или Мертвой зоной на форме выходной волны.
На приведенном выше рисунке четко показано перекрестное искажение, характерное для выходного сигнала. Это главный недостаток. Этот эффект перекрестного искажения также уменьшает общее пиковое значение выходного сигнала, что, в свою очередь, уменьшает максимальную выходную мощность. Это может быть более ясно понято через нелинейную характеристику формы волны, как показано ниже.
Понятно, что это перекрестное искажение менее выражено для больших входных сигналов, поскольку оно вызывает серьезные помехи для малых входных сигналов. Это перекрёстное искажение может быть устранено, если проводимость усилителя составляет более половины полупериода, так что оба транзистора не будут отключены одновременно.
Эта идея приводит к изобретению усилителя класса AB, который представляет собой комбинацию усилителей класса A и класса B, как описано ниже.
Усилитель мощности класса AB
Как следует из названия, класс AB является комбинацией усилителей класса A и класса B. Поскольку у класса A есть проблема низкой эффективности, а у класса B – проблема искажения, этот класс AB появился, чтобы устранить эти две проблемы, используя преимущества обоих классов.
Перекрестное искажение – это проблема, которая возникает, когда оба транзистора выключены в один и тот же момент в течение переходного периода. Чтобы устранить это, условие должно быть выбрано для более чем половины цикла.
Следовательно, другой транзистор попадает в проводимость до того, как рабочий транзистор переключается в отключенное состояние. Это достигается только при использовании конфигурации класса AB, как показано на следующей принципиальной схеме.
Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше, чем половину цикла проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.
Угол проводимости усилителя класса AB составляет от 180 o до 360 o в зависимости от выбранной рабочей точки. Это понятно с помощью рисунка ниже.
Небольшое напряжение смещения, заданное с использованием диодов D 1 и D 2 , как показано на рисунке выше, помогает рабочей точке быть выше точки среза. Следовательно, выходная форма волны класса AB получается, как показано на рисунке выше. Перекрестное искажение, создаваемое классом B, преодолевается этим классом AB, а также неэффективность классов A и B не влияет на схему.
Таким образом, класс AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, с эффективностью, достигающей от 50% до 60%. Усилители классов A, B и AB называются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходного сигнала линейно связаны с амплитудой и фазой входного сигнала.
Усилитель мощности класса C
Когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности известен как усилитель мощности класса C.
Эффективность усилителя класса C высока, а линейность низкая. Угол проводимости для класса С составляет менее 180 o . Обычно оно составляет около 90 o , что означает, что транзистор остается бездействующим в течение более половины входного сигнала. Таким образом, выходной ток будет подаваться в течение меньшего времени по сравнению с приложением входного сигнала.
На следующем рисунке показана рабочая точка и выход усилителя класса C.
Этот вид смещения дает значительно улучшенную эффективность усилителя примерно на 80%, но вносит сильные искажения в выходной сигнал. Используя усилитель класса C, импульсы, генерируемые на его выходе, могут быть преобразованы в синусоидальную волну определенной частоты с помощью LC-цепей в его цепи коллектора.
Классы эквивалентной мощности A, AB, B, Max в Reference Audio Analyzer
Классы эквивалентной мощности A, AB, B, Max в Reference Audio Analyzer
F.A.Q. / Усилители для наушников / О измерениях усилителей для наушников в RAA
Для прямого сравнения усилителей мощностные характеристики определяются для нескольких режимов по аналогии с классами работы усилителей: A, AB, B и Max.
Обычно, на минимальном уровне громкости усилитель работает с минимальными искажениями, в чистом режиме, эквивалентном классу А.
Если мы будем сравнивать два усилителя при равной амплитуде, где у них для этой аплитуды будут определены разные типы характера спектров, то с большей долей вероятности качественнее будет звучать тот усилитель, у которого эквивалентный класс будет ближе к классу А.
Чистый режим – эквивалентный класс А
Это режим без гармоник высоких порядков. Это своего рода самый качественный «чистый режим». Для определения эквивалентного режима класса А используется маска, которая строго ограничивает амплитуды гармоник.
Эквивалентным классом А является такой режим, по спектру которого можно сказать, что усилитель работает как в классе А.
Исключением из этого правила могут быть устройства с собственным ЦАП и аналоговым регулятором громкости, где гармоники высших порядков производит не усилитель, а ЦАП.
У некоторых усилителей может не быть чистого режима или если с ЦАП во всем диапазоне амплитуд высокий уровень искажений. Такие искажения могут быть от ОС смартфонов. В этом случае фиксируются минимальные значения. Наша цель сравнивать усилители, а для общей стандартизации отчетов у усилителя должны быть определены все режимы.
За счет такой стандартизации стало возможным открыть разделы с прямыми сравнениями параметров:
- максимальные токи и напряжения усилителей
- cравнение усилительной части по громкости
- совместимость усилительной части с чувствительностью наушников
Варианты примеров
Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример 5
Режим класса АБ
Этот режим является развитием оптимального режима, близкого к чистому режиму.
В этом режиме значения гармоник небольшие и убывают по амплитуде в сторону высших порядков. Спектры при этом косвенно напоминают режим АБ.
Варианты примеров
Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример 5
Режим Б
Этот режим так же является развитием оптимального режима, но уже близкого к режиму клиппинга. Это более высокий уровень гармоник, но аналогично убывающих по амплитуде в сторону высшего порядка.
Варианты примеров
Пример 1 Пример 2
Максимальный режим
Это режим перед переходом усилителя в клиппирование. В этом режиме гармоники не убывают или достигают высокого уровня.
Варианты примеров
Пример 1 Пример 2 Пример 2
Так как тестируются не только просто усилители, а плееры, смартфоны, ноутбуки, комбайны и прочие устройства, то нередко случается ситуация, что при выставлении максимального уровня громкости схема усилителя могла бы дать и более высокий уровень сигнала, но этот уровень ограничен выходным уровнем с штатного ЦАП (или кодека).
На максимальной амплидуте пороги для тока и напряжения для всех режимов могут быть одинаковыми. По порогам напряжения и тока определяется, в группы каких эквивалентных классов усилительная часть попадает. Это примерно как разделение машин по клиренсу, до 10 см, до 15 см, до 20 см вместо диапазонов от 0 до 10, от 10 до 15 и от 15 до 20 см.
Важной частью определения порогов для тока и напряжения является возможность более точного сравнения усилителей по громкости за счет пересчета напряжения к «музыкальной» мощности, учитывая поправку для тока по плотности музыкального сигнала.
О режимах
Названия режимов A, АБ и Б не означают, что усилитель работает именно в таком режиме, они дают аналогию с этими режимами для оценки субъективного качества.
Благодаря разделению каждого усилителя на четыре режима можно сравнивать мощности в сопоставимых уровнях качества. Это не значит, что какой усилитель самый громкий в чистом режиме – самый лучший.
Мы стараемся найти такие критерии для определения мощности, которые позволят наиболее корректно сравнивать устройства между собой. Нашей целью не является уличить какого-либо производителя в завышенных данных.
Должны ли мощностные характеристики совпадать с паспортными данными от производителей?
Нет, так как каждый производитель приводит данные в соответствии со своими условиями.
Какое значение мощности из четырех «стандартное» или «правильное»?
Они все правильные, каждое для своего режима. Одного единственного значения мощности для устройства не существует. Ориентируейтесь на то, которое отвечает вашим задачам и классу аппаратуры.
Я считаю, что мощность нужно определять по другим критериям!
Все спектры выложены в отчетах и вы можете определить мощность по своим критериям.
Предложить и обсудить свою методику можно в социальных сетях вКонтакте и facebook.
О своем референсном уровне звукового давления
При выборе аудиотехники принято оперировать цифрами, которые зачастую описываются абстрактно. Подход RAA иной, через прямые сравнения неизвестных продуктов с известными. Соответственно, для того, чтобы опрерировать конечными данными в SPL, надо определить свой собственный уровень звукового давления в SPL, на котором производится прослушивание музыки. В этом нет ничего сложного.
Последние протестированные продукты
25.09.2022
EDO Flat
Hifiman Bluemini
19.09.2022
HiFiMAN TWS600
16.09.2022
Kennerton Vali Neoteric
14.
09.2022
Kennerton Aurora
12.09.2022
Sony Walkman NW-A35
04.09.2022
1MORE ComfoBuds Pro
04.09.2022
Bose SoundTrue Around-Ear Headphones
04.09.2022
SONY MDR-NW750N
26.08.2022
TurboKids TMNT
Комментарии
Нет комментариев к этой страницеХотите оставить комментарий или задать вопрос? Зарегистрируйтесь или войдите под своим логином
Усилители мощности класса AB
- После изучения этого раздела вы должны уметь:
- Общие сведения об усилителях класса AB.
- • Дополнительная операция.
- • Стабилизация смещения постоянного тока.
- • Температурная стабилизация.
- • Регулировка средней точки.
- • регулировка кроссовера.
- • Отрицательная обратная связь переменного тока.
- Поймите необходимость усилителей Quasi AB.
Рис. 5.5.1 Смещение класса AB
Усилители мощности класса AB
Двухтактная выходная схема класса AB немного менее эффективна, чем класс B, потому что она использует небольшой ток покоя, чтобы сместить транзисторы чуть выше отсечки показано на рис. 5.5.1, но перекрестное искажение, создаваемое нелинейным участком входной характеристики транзистора, близким к отсечке в классе B, преодолевается. В классе AB каждый из двухтактных транзисторов проводит чуть больше полупериода проводимости класса B, но намного меньше полного цикла проводимости класса A9.
0029
Когда каждый цикл сигнала пересекает ноль вольт, оба транзистора на мгновение становятся проводящими, и изгиб характеристики каждого из них компенсируется.
Еще одним преимуществом класса AB является то, что использование комплементарной согласованной пары транзисторов в режиме эмиттерного повторителя также дает более дешевую конструкцию. Схема фазовращателя не требуется, так как противоположная полярность пары NPN и PNP означает, что каждый транзистор будет проводить на противоположных полупериодах сигнала. Низкий выходной импеданс, обеспечиваемый подключением эмиттерного повторителя, также устраняет необходимость в выходном трансформаторе, согласующем импеданс.
Однако согласование коэффициента усиления по току и температурных характеристик комплементарных (NPN/PNP) транзисторов является более сложным, чем при использовании только одного типа транзистора, используемого в работе класса B. Кроме того, при отсутствии эмиттерных резисторов из-за использования режима эмиттерного повторителя труднее поддерживать температурную стабильность.
Таким образом, класс AB может иметь большую склонность к тепловому разгону.
Рис. 5.5.2 Применение смещения класса AB
Рис. 5.5.2 иллюстрирует метод применения смещения класса AB к комплементарной паре транзисторов. Два резистора R1 и R2 подают напряжения на базы выходных транзисторов так, что база Tr1 (NPN) примерно на 0,6 В больше положительного, чем его эмиттер, а база Tr2 (PNP) примерно на 0,6 В больше отрицательного, чем его эмиттер, что составляет половину из В СС .
Для преодоления перекрестных искажений смещение на базе каждого транзистора должно быть точно установлено так, чтобы транзисторы начинали работать, как только начинается их соответствующий полупериод, поэтому обычно резистор R2 делают регулируемым.
Дополнительный двухтактный выходной каскад класса AB
Выходная цепь, показанная на рис. 5.5.3, включает в себя многие функции и методы, описанные в модулях усилителя 1–5. На ней показаны выходной каскад класса AB (Tr2 и Tr3) и класс Аудиодрайвер (усилитель напряжения) Trl.
Схема имеет отрицательную обратную связь по переменному току для уменьшения искажений и шума и расширения полосы пропускания, а также отрицательную обратную связь по постоянному току для стабилизации смещения постоянного тока. Есть также некоторые положительные отзывы, «самозагрузка» применяется для увеличения входного импеданса и повышения эффективности. Другие важные особенности включают использование диодов для обеспечения термостабильности и некоторые регулировки смещения для минимизации искажений.
Рис. 5.5.3 Выходной каскад класса AB
Эксплуатация
Задающий транзистор Tr1 представляет собой усилитель напряжения класса A, на который подается звуковой сигнал переменной амплитуды со входа через регулятор громкости VR1. Смещение для Tr1 обеспечивается через делитель потенциала R2, Vr2 и R3 от соединения эмиттеров Tr2 и Tr3, которые будут иметь половину напряжения питания.
Стабилизация смещения постоянного тока
Смещение для Tr2 и Tr3 обеспечивается током, протекающим через громкоговоритель (который также является выходной нагрузкой для усилителя), R5 и VR3.
Это обеспечивает соответствующий базовый ток на Tr2 и Tr3, чтобы эмиттеры Tr2 и Tr3 (средняя точка) составляли половину напряжения питания. Поскольку базовое смещение для Tr1 (через R2, VR2 и R3) берется с эмиттеров Tr2 и Tr3, если напряжение в средней точке увеличивается, смещение на базе Tr1 также будет увеличиваться, в результате чего Tr1 будет проводить больше. Следовательно, напряжение коллектора на Tr1 упадет, что также приведет к падению напряжения на базах Tr2 и Tr3. Поскольку Tr2 является NPN, а Tr3 является PNP, это будет иметь тенденцию выключать Tr2 и включать Tr3, уменьшая напряжение в средней точке, пока оно не вернется к своему правильному значению половины питания.
Если напряжение в средней точке упадет слишком сильно, это приведет к снижению напряжения смещения на Tr1, его отключению и увеличению напряжения на его коллекторе, а также базовых напряжений Tr2 и Tr3. Это действие увеличит проводимость в (транзистор NPN) Tr2 и уменьшит проводимость в (транзистор PNP) Tr3, снова подняв среднюю точку до ее правильного напряжения.
Температурная компенсация
Dl и D2 представляют собой два кремниевых диода с потенциалом перехода, аналогичным Tr2 и Tr3. Они подключены через переходы база/эмиттер выходных транзисторов для улучшения термостабильности. По мере того, как Tr2 и Tr3 нагреваются, их потенциалы перехода база/эмиттер естественным образом падают. Это приведет к чрезмерному смещению и большему току, протекающему через транзисторы, что в конечном итоге приведет к тепловому разгону. D1 и D2 обычно монтируются на тех же радиаторах, что и выходные транзисторы. Следовательно, когда Tr2 и Tr3 нагреваются, нагреваются D1 и D2.
Потенциал перехода диодов также падает, и они начинают проводить ток. Поскольку напряжение между двумя базами выходных транзисторов устанавливается VR1 на 1,2 В в холодных условиях, D1 и D2 изначально просто отключены. Однако, если эти потенциалы диодных переходов упадут из-за нагрева, они начнут проводить и уменьшатся до напряжения между базами Tr1 и Tr2. Таким образом, это уменьшит смещение на выходных транзисторах и, таким образом, поддержит правильные условия смещения класса AB.
Регулировка средней точки
Важно, чтобы напряжение в средней точке поддерживалось точно на уровне половинной мощности, чтобы получить максимальный выходной сигнал от пика до пика без ограничения какого-либо пика сигнала. VR2 сделан переменным, чтобы можно было точно установить напряжение средней точки. Эта регулировка необходима только после изготовления или замены каких-либо компонентов. При отсутствии сигнала вольтметр, подключенный к средней точке, и VR2 настраивается на половину напряжения питания.
Регулировка кроссовера
VR3 — это «управление кроссовером», и он настраивается с помощью синусоидального сигнала, подаваемого на вход усилителя и наблюдаемого на осциллографе, подключенного к выходной нагрузке, чтобы обеспечить минимальные искажения кроссовера. VR3 должен быть отрегулирован либо во время изготовления, либо после замены компонентов, чтобы разность напряжений между базами Tr2 и Tr3 была такова, что небольшой постоянный (статический) ток протекал к базам как Tr2, так и Tr3.
Таким образом, напряжение на VR3 будет примерно 0,6 x 2 = 1,2 В.
Поскольку эффекты VR2 и VR3 взаимодействуют друг с другом, регулировку обычно необходимо повторять несколько раз, каждый раз с уменьшающейся величиной регулировки до тех пор, пока обе не будут правильными, с напряжением в средней точке при половинном питании и сведенными к минимуму искажениями кроссовера. .
В коммерческом оборудовании правильный метод регулировки VR2 и VR3 обычно приводится в руководстве производителя, и эти инструкции следует точно соблюдать. Регуляторы средней точки и кроссовера являются предустановленными регуляторами, и однажды отрегулированные во время производства, как правило, не должны повторно регулироваться, за исключением случаев, когда компоненты были заменены.
Отрицательная обратная связь по переменному току
Отрицательная обратная связь по переменному току обеспечивается C3 для увеличения полосы пропускания и особенно для уменьшения искажений. Это важно, так как невозможно полностью устранить кроссоверные искажения только с помощью осторожного смещения.
Начальная загрузка
Tr2 и Tr3 смещены в классе AB, поэтому должны быть смещены непосредственно перед отсечкой (т. е. при 0,6 В между базой и эмиттером). Сеть резисторов смещения для этих транзисторов также формирует резистивную нагрузку для Tr1. Следовательно, значение резисторов R5 и VR3 определяется напряжением постоянного тока, необходимым для правильного смещения базы TR2 и Tr3.
Для обеспечения высокого коэффициента усиления в драйверном каскаде класса А Tr1 нагрузка коллектора должна иметь максимально возможное сопротивление; это противоречит требованиям постоянного тока для смещения Tr2 и Tr3. Однако резистор нагрузки коллектора Tr1 на самом деле должен иметь высокое сопротивление только сигналам переменного тока; если будет найден способ придать резисторам R5 и VR3 высокий импеданс на звуковых частотах и при этом сохранить соответствующее (гораздо более низкое) сопротивление на постоянном токе, усиление в каскаде драйвера Tr1 может быть увеличено.
Чтобы добиться такого увеличения усиления, положительная обратная связь по переменному току (самозагрузка) обеспечивается конденсатором C3, который возвращает выходной сигнал переменного тока на вершину резистора R5.
Этот сигнал переменного тока находится в фазе с сигналом на базе Tr2 и Tr3, и положительная обратная связь обычно вызывает колебание, но этому препятствует тот факт, что Tr2 и Tr3 работают в режиме эмиттерного повторителя, а коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя меньше чем 1 (обычно около 0,9).
Рис. 5.5.4 Квазикласс AB
Это означает, что какой бы ни была амплитуда напряжения сигнала на коллекторе Tr1, около 0,9 этого сигнала появляется на вершине R5, поэтому напряжение переменного тока, развиваемое на VR3 и R5, оказывается равным только одна десятая часть сигнала на коллекторе Tr1, поэтому значение (AC) сопротивления VR3 и R5 кажется в десять раз выше, чем оно есть на самом деле, что дает увеличение коэффициента усиления Tr1 в 10 раз без какого-либо изменения сопротивления постоянному току ВР3 и Р5.
Квазикласс AB
Дополнительные выходные каскады могут эффективно использоваться для усилителей мощности, но по мере увеличения мощности выше нескольких ватт становится все труднее найти транзисторы PNP и NPN с характеристиками, достаточно близкими для обеспечения одинакового усиления положительных и отрицательных полупериодов.
. Одним из решений является использование квазикомплементарного выходного каскада, как показано на рис. 5.5.4. В этой схеме комплементарная пара малой мощности (Tr1 и Tr2) используется для управления парой мощных выходных NPN-транзисторов (Tr3 и Tr4).
К началу страницы
Усилители класса AB — Electronics-Lab.com
Введение
Усилители класса A обеспечивают очень хорошую линейность выходного сигнала, что означает точное воспроизведение сигнала, однако их эффективность очень низкая, около 20 -30% в большинстве случаев. С другой стороны, усилители класса B имеют очень высокий КПД до 90 105 78,5 % 90 106, но не могут точно воспроизвести выходной сигнал. Действительно, в двухтактной конфигурации появляется перекрестное искажение, и для ограничения этого эффекта требуется использование отрицательной обратной связи.
Для того чтобы сочетать превосходную линейность класса A и высокую эффективность класса B, был разработан класса AB . В самом первом разделе мы представим общее функционирование и характеристики усилителей класса AB .
После этого мы обсудим эффективность конфигураций класса AB. В следующем разделе будут представлены некоторые возможные методы смещения, и мы подчеркнем, что наиболее подходящим является смещение диода. Наконец, мы увидим, что даже метод смещения диода нуждается в улучшении, чтобы конфигурация класса AB правильно усиливала сигнал без перекрестных искажений.
Презентация усилителя класса AB
Как следует из названия, класс AB занимает промежуточное положение между усилителями класса A и класса B. На рис. 1 ниже показана рабочая зона усилителей класса AB на характеристическом графике (V из , I из ).
рис. 1 : Рабочая зона усилителей класса AB Усилители класса AB можно смещать, выбирая рабочую точку вдоль этой синей линии, исключая точки смещения классов A и B. Выбор его расположения зависит от желаемого уровня эффективности и линейности. Если рабочая точка класса AB ближе к рабочей точке класса A (соответственно классу B), чем рабочая точка класса B (соответственно классу A), схема будет вести себя как усилитель класса A (соответственно класса B) за счет демонстрируя более высокую линейность, но более низкую эффективность (соответственно, более высокую эффективность, но более низкую линейность).
Таким образом, угол проводимости усилителей класса AB находится в диапазоне ]180°, 360°[. Этот тип усилителя проводит сигнал более 50 % времени, но менее 100 %, как показано на Рис. 2 ниже:
Рис. 2: Угол проводимости усилителя класса AB на основе NPN и PNP Представлены характеристики класса AB на основе PNP, поскольку необходима двухтактная конфигурация, например, для усилителя класса B, для объединения положительных и отрицательных полуволн для воспроизведения полного сигнала.Мы можем отметить, что небольшая часть сигнала проводится одновременно транзисторами NPN и PNP. Это гарантирует отсутствие кроссоверных искажений при усилении, выполняемом усилителями класса AB .
Эффективность класса AB
Формула эффективности (η) для усилителей класса AB аналогична конфигурации класса B и определяется следующим уравнением:
eq 1 : Эффективность двухтактной конфигурации класса AB Где V AC представляет колебания переменного тока выходного сигнала.
Максимальная эффективность здесь зависит не только от максимального значения V AC , , но и от положения рабочей точки вдоль рабочей зоны (см. рис. 1 ):
- Если усилитель класса AB смещено на пределе точки отсечки, V AC ,max =V питания и, таким образом, η max =π/4=78,5 %.
- Если усилитель класса AB смещен на пределе рабочей точки класса A, В AC ,max =V питание /2 и, таким образом, η max =π/8=39,3 %.
- В других случаях максимальный КПД усилителя класса AB будет в ]39,3 % ; 78,5 %[ диапазон.
Методы смещения
Существует множество способов смещения усилителя класса AB для создания интервала напряжения, при котором комплементарные транзисторы проводят ток одновременно. В этом разделе мы кратко представим некоторые из возможных методов смещения, выделив их преимущества и недостатки.
Методы будут отсортированы по степени их релевантности, мы действительно начнем с наиболее неподходящих и закончим наиболее распространенными, простыми в реализации и эффективными.
Смещение по напряжению
Очень простой и интуитивно понятный метод заключается в прямом и независимом смещении баз транзисторов NPN и PNP. Это питание может осуществляться от батарей или через генератор постоянного тока. Выходной каскад двухтактной конфигурации, включающей этот метод смещения, показан на Рис. 3 ниже:
Рис. 3: Метод смещения напряженияЭтот метод имеет право на работу, но совершенно неприменим для реальных цепей. Действительно, из-за ограничений по упаковке и стоимости ни один производитель не внедряет это решение.
Сеть делителя напряжения
Этот метод много раз описывался в руководствах по BJT-усилителям и включает только пассивные компоненты. Рисунок 4 ниже представляет двухтактную конфигурацию, связанную с двумя сетями делителя напряжения для смещения базы обоих транзисторов.
В этой конфигурации наблюдается падение напряжения на двух базах (при общем сопротивлении R 2 + R 3 ) от 1,2 до 1,4 В. Это значение соответствует 2×V BE , где V BE представляет пороговое напряжение транзисторов. Это падение напряжения приведет к тому, что оба транзистора превысят состояние отсечки, поэтому они оба будут одновременно проводить часть входного сигнала.
Основная причина, по которой эту конфигурацию нельзя использовать для усилителей класса AB, заключается в том, что набор номиналов резисторов будет работать только для конкретной двухтактной конфигурации . Кроме того, набор значений необходимо выбирать очень тщательно, особенно если комплементарные транзисторы разные.
Смещение потенциометра
Этот метод очень похож на схему делителя напряжения. Единственное отличие состоит в том, что между двумя сетями находится регулируемое сопротивление (или потенциометр).
Преимущество этого решения состоит в точном согласовании смещения двух комплементарных транзисторов с контролируемым сопротивлением, даже если транзисторы имеют разные электрические свойства.
Однако это решение, а также сеть делителя напряжения включают резисторы, которые рассеивают тепло за счет эффекта Джоуля. Поскольку усилители класса AB часто имеют смещение немного выше точки отсечки для обеспечения максимальной эффективности, любое изменение температуры, вызванное этим явлением, может привести к ненадлежащему поведению двухтактной конфигурации. Вот почему диод смещения , если часто предпочтительнее, как мы увидим в следующем параграфе.
Смещение диода
При превышении определенного значения тока диоды имеют свойство генерировать постоянное падение напряжения ~0,7 В. Именно эта функция используется для обеспечения постоянного потенциала 1,4 В между базами двух транзисторов, как показано на рисунке. на Рисунке 5 ниже:
рис. 5: Метод смещения диода Еще одним преимуществом этой конфигурации является то, что падение напряжения на диодах самонастраивается при любом изменении температуры.
Повышение температуры действительно приведет к снижению порога диодов, что уменьшит смещение транзисторов и, следовательно, ограничит возможный тепловой разгон.
Цепь диодов и источник тока
Схема диодного смещения, как мы только что представили ранее, наиболее приспособлена для смещения усилителей класса AB . Однако прямое смещение диодов с такими сопротивлениями, как представлено в рис. 5 , также приводит к некоторым проблемам.
Основное ограничение исходит от сопротивлений R 1 и R 2 , смещающих диоды. Действительно, если нужен высокий выходной сигнал, то базы транзистора соберут весь ток с сопротивлений, поэтому ток в диодах будет равен нулю. Поскольку диоды не получают тока, в двухтактной конфигурации не будет смещения, и снова будут наблюдаться перекрестные искажения. Это явление усиливается тем, что при увеличении выходного напряжения ток через сопротивления R 1 и R 2 убывает.
Чтобы решить эту проблему, сопротивления заменены усилителями с общим эмиттером, которые действуют как источники тока, как показано на рис. 6
. В этом случае источники тока могут предвидеть изменения выходного сигнала, обеспечивая постоянный ток в противовес сопротивлению. Следовательно, и базы, и диоды могут питаться током. рис. 6: Диодная сеть и метод источника токаРаспределение мощности для усилителя класса AB
рис. 7 : Распределение мощности усилителя класса AB
Заключение
Мы видели, что усилители класса AB контрастируют с усилителями классов A и B, поскольку они не имеют уникальной рабочей точки, а имеют ограниченную рабочую зону. точкой покоя класса А и точкой отсечки (рабочей точкой класса В). Расположение рабочей точки вдоль этой зоны будет определять как угол проводимости, так и КПД усилителя.
Действительно, если рабочая точка класса AB расположена ближе к рабочей точке класса A, усилитель будет иметь угол проводимости в [270° ; 360°[ 90×106 диапазон, таким образом проводя более трех четвертей сигнала.
Кроме того, эффективность в ]39,3 % ; 58,9 %] будет соблюдаться интервал .
С другой стороны, если рабочая точка расположена ближе к рабочей точке класса B, усилитель будет вести себя скорее как класс B, представляя меньший угол проводимости в интервале ]180° ; 270°] , что повысит его эффективность между 58,9 % и 78,5 % .
Мы видели, что существует множество различных методов для смещения основ двухтактной конфигурации. Мы уделили особое внимание смещению напряжения, смещению на основе резистора и смещению диода. Первый заключается в прямом подмагничивании баз генератором напряжения или батареями, но он не реализуется из-за затрат и возникающих при этом проблем с компоновкой. Второй и третий методы используют сети с делителем напряжения и модифицированные сети с потенциометром. Однако эти цепи смещения состоят из множества сопротивлений и, следовательно, вызывают рассеивание тепла, что напрямую влияет на поведение транзисторов.
Последний представленный метод может решить эту проблему с помощью сети диодных делителей. Мы действительно видели, что эта структура создает постоянное падение напряжения 1,4 В между базами двух транзисторов, которого достаточно для создания интервала, в котором транзисторы NPN и PNP проводят ток одновременно. Кроме того, диоды имеют преимущество перед резистором в смягчении колебаний температуры.
Наконец, мы увидели, что диодная цепь должна быть смещена источниками тока, чтобы обеспечить постоянное смещение двухтактной конфигурации, несмотря на изменения выходного сигнала.
Конфигурация класса AB в настоящее время является наиболее распространенной в электронных схемах, поскольку она сочетает в себе преимущества усилителей классов A и B без их недостатков.
Class AB Op Amps: The Solution for Low-Iq Audio
This article is in TechXchange: Why Low Iq is the Smart Thing to Do
Members can download эта статья в формате PDF.
Что вы узнаете:
- Различные классы усилителей.
- Каковы преимущества усилителей класса AB?
- Патенты, касающиеся тока покоя усилителей класса AB.
Усилители имеют множество классификаций, и каждый класс имеет свои преимущества и недостатки. Различные классы усилителей: A, B, AB, C, D, E, F, T и даже больше «алфавитного супа». Дизайнеры обычно работают с классами A, B, AB и C.
Усилитель класса А обладает высокой линейностью и высоким коэффициентом усиления. Он имеет угол проводимости 360 градусов, что приводит к тому, что усилитель всегда остается в активном состоянии, и он может использовать весь входной сигнал. Усилитель класса А имеет хорошие высокие частоты и стабильность обратной связи. Недостатком является то, что его эффективность составляет всего 25-30%.
В усилителях класса B используются два активных устройства, которые смещаются один за другим, каждое из которых составляет половину фактического полного цикла, что означает, что каждое устройство будет смещаться только в течение 180 градусов цикла.
Два транзистора обеспечивают комбинированное управление током нагрузки. Это повышает КПД по сравнению с КПД усилителя класса А от 25% до 30%.
Усилители класса C работают в двух различных режимах работы: настроенный и ненастроенный (усилители класса C имеют огромные искажения на выходе). Эффективность этого усилителя намного выше, чем у усилителей A, B или AB: может быть достигнут максимальный КПД 80%, особенно в приложениях, связанных с радиочастотами.
Что такое усилитель класса AB?
Усилители класса AB преодолевают перекрестные искажения, характерные для усилителей класса B. Усилитель класса AB, который сочетает в себе усилители класса A и класса B, устраняет проблемы низкой эффективности усилителей класса A, уменьшает искажения и улучшает более низкую линейность, демонстрируемую усилителями класса B.
Двухтактный усилитель класса AB
Чтобы создать базовый усилительный каскад класса AB, разработчики должны взять двухтактный каскад класса B и немного сместить оба транзистора в режим проводимости (этот метод смещения постоянного тока сохранит транзисторы в режиме проводимости даже без ввода в базы транзисторов) (рис.
1) .
Усилитель класса AB представляет собой двухтактный усилитель, аналогичный двухтактному усилителю класса A. Единственная разница в том, что два резистора смещения, обозначенные как R в Рисунок 2 , выбираются таким образом, чтобы транзисторы смещались только при напряжении включения 0,7 В. Это сокращает время, когда оба транзистора одновременно выключены (время, в течение которого входной сигнал находится в диапазоне от -0,7 до +0,7 В). V), что приводит к уменьшению перекрестных искажений.
Конфигурация класса AB имеет пониженную эффективность и рассеивает разумное количество энергии при нулевом входе. Класс B имеет самый высокий КПД — 78,5%, за ним следует класс AB, который составляет от 78,5% до 50%, а затем класс A с 50%. С точки зрения искажений, класс A имеет самый низкий уровень, за ним следует класс AB, а класс B занимает последнее место.
Аудиофилы, или «золотые уши», как мы называли их в дни моего аудио в Empire Scientific Corporation в 1970-х годах, как правило, любят усилители класса AB из-за их «теплоты» или «окраски», которая очень нравится на выходах цифрового усилителя.
.
Многие «Золотые уши» утверждают, что цифровые усилители реже «окрашивают» звук. Аналоговые усилители особенно полезны для средних и высоких частот из-за этой «окраски». Вот почему они предпочтительнее в подкаскадах усилителя, поскольку начало сигнала больше похоже на исходную запись.
Недостаток усилителя класса AB заключается в необходимости согласования температуры каждого токового зеркала, особенно когда резисторы дегенерации эмиттера не используются, как, например, в рис. 2 .
Ток покоя в усилителе класса AB
В Рис. быть нулем. Это приводит к Q 1 и Q 2 с одинаковыми токами, или I C1 = I C2 . Если предположить, что пары Q 1 – Q 3 и Q 2 – Q 4 совпадают, то Q 1 будет отражать Q 3 и Q 209040 9 0 39039 4 , чтобы получить i C1 = i C2 = 0,1 мА. Это ток покоя (Iq) пары Q 1 – Q 2 .
Когда я L = 0, схема находится в режиме ожидания .
Патенты класса AB, касающиеся тока покоя
Независимая от температуры конструкция усилителя класса AB
Многие усилители класса AB имеют выходной Iq, который зависит от температуры; Чтобы свести к минимуму эту проблему, можно добавить компенсационные диоды. Если мы попробуем добавить резисторы дегенерации эмиттера, это увеличит выходное сопротивление каскада. Конструкторам нужен другой способ стабилизации выходного Iq таким образом, чтобы обеспечить независимость от температуры, без использования компенсационных диодов, что увеличит выходное сопротивление каскада.
Еще в 1984 году мой друг и коллега Рон Куан запатентовал конструкцию усилителя с постоянным током класса AB, номер патента US4458213A, , который стабилизирует выходной сигнал усилителя Iq, что обеспечивает независимость от температуры. Изобретение Куана относится к усилителям и драйверам, в частности к аудиоусилителям мощности, видеоусилителям, а также к усилителям сервоприводов.
Вот краткое изложение схемы Quan:
Эта схема позволяет поддерживать постоянный ток коллектора выходного транзисторного усилителя за счет измерения напряжения, которое создается на резисторе, включенном последовательно с коллектором выходного транзистора. Дифференциальный усилитель используется для создания первого репрезентативного сигнала, который дискретизируется и удерживается схемой, управляемой с помощью детектора перехода через нуль напряжения, чувствительного к выходному напряжению усилителя. Выбранный и сохраненный сигнал инвертируется и интегрируется относительно регулируемого опорного напряжения, создавая второй сигнал. Этот второй сигнал регулирует ток, проходящий через транзистор, включенный в сеть делителя напряжения, подающую базовое напряжение смещения на выходной транзистор.
Усилитель класса AB с независимой настройкой тока покоя и коэффициента усиления
В этом патенте (5,512,857) для топологий усилителя класса AB показана уменьшенная мощность покоя.
3 Каждый из выходных транзисторов смещен, чтобы проводить только небольшой ток покоя, что снижает искажения усилителя. Усилители класса AB используются в низковольтных источниках питания (источник питания 1 В здесь не редкость), таких как слуховые аппараты. Этот низковольтный уровень питания позволяет использовать одноячеечную батарею.
Усилители класса AB значительно превосходят усилители класса A по минимальному энергопотреблению. Кроме того, эти усилители будут лучшим выбором, чем усилители класса B, с точки зрения сведения к минимуму кроссовера и гармонических искажений.
Одна из основных проблем с известными усилителями класса AB в этом приложении заключается в том, что существует компромисс между уменьшением рассеиваемой мощности и искажений в состоянии покоя и доступной выходной мощностью. Эти конструкции предшествующего уровня техники не в состоянии снизить как рассеиваемую мощность, так и искажения до минимального уровня, а также поддерживать необходимую выходную мощность.
