Leistungsverstärkerklassen

Leistungsverstärkerkreise (Ausgangsstufen) werden bei linearen Ausführungen als A, B, AB und C und bei Schaltkonstruktionen als D und E klassifiziert. Die Klassen basieren auf dem Anteil jedes Eingangszyklus (Leitungswinkel), bei dem ein Verstärkungsgerät Strom durchlässt. Das Bild des Leitungswinkels ergibt sich aus der Verstärkung eines sinusförmigen Signals. Wenn das Gerät immer eingeschaltet ist, beträgt der Leitwinkel 360°. Wenn es nur für die Hälfte jedes Zyklus eingeschaltet ist, beträgt der Winkel 180°. Der Strömungswinkel hängt eng mit der Verstärkerleistungseffizienz zusammen.,

In den Abbildungen unten ist ein bipolarer Übergangstransistor als Verstärkungsvorrichtung dargestellt. Die gleichen Attribute finden sich jedoch bei MOSFETs oder Vakuumröhren.

Klasse a >

In einem Klasse-A-Verstärker werden 100% des Eingangssignals verwendet (Leitungswinkel Θ = 360°). Das aktive Element bleibt die ganze Zeit leitend.

Verstärkende Geräte der Klasse A verhalten sich über den gesamten Bereich des Eingangszyklus., Ein Class-A-Verstärker zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausgangsstufengeräte für den Class-A-Betrieb voreingenommen sind. Unterklasse A2 wird manchmal verwendet, um sich auf Vakuumröhrenklassen-A-Stufen zu beziehen, die das Netz bei Signalspitzen für etwas mehr Leistung als normale Klasse A leicht positiv antreiben (A1; wo das Netz immer negativ ist). Dies führt jedoch zu einer höheren Signalverzerrung.,

Vorteile von Class-A-Verstärkernedit

• Class-A-Designs können einfacher sein als andere Klassen, da Class-AB-und-B-Designs zwei angeschlossene Geräte in der Schaltung erfordern (Push-Pull-Ausgang), die jeweils die Hälfte der Wellenform verarbeiten, während Class A ein einzelnes Gerät (Single-Ended) verwenden kann.
• Das Verstärkungselement ist vorgespannt, so dass das Gerät immer leitend ist, der Ruhestrom (Kleinsignal) Kollektorstrom (für Transistoren; Ablaufstrom für FETs oder Anoden-/Plattenstrom für Vakuumröhren) liegt nahe am linearsten Teil seiner Transkonduktionskurve.,
• Weil das gerät ist nie ‚off‘ es ist keine „drehen auf“ zeit, keine probleme mit ladung lagerung, und in der regel besser hohe frequenz leistung und feedback schleife stabilität (und in der regel weniger hohe-auftrag oberwellen).
• Der Punkt, an dem das Gerät “ aus „am nächsten kommt, ist nicht bei „Nullsignal“, so dass die Probleme der Crossover-Verzerrung im Zusammenhang mit Klasse-AB und-B-Designs vermieden werden.
• Am besten für niedrige Signalpegel von Funkempfängern aufgrund geringer Verzerrung.

Nachteil von Class-A Verstärkern

• Class-A Verstärker sind ineffizient., Ein maximaler theoretischer Wirkungsgrad von 25% ist mit üblichen Konfigurationen erhältlich, aber 50% ist das Maximum für einen Transformator oder eine induktiv gekoppelte Konfiguration. In einem Leistungsverstärker verschwendet dies nicht nur Energie und begrenzt den Betrieb mit Batterien, sondern erhöht auch die Betriebskosten und erfordert leistungsstärkere Ausgangsgeräte. Ineffizienz entsteht durch den stehenden Strom, der ungefähr die Hälfte des maximalen Ausgangsstroms betragen muss, und ein großer Teil der Versorgungsspannung ist über das Ausgabegerät bei niedrigen Signalpegeln vorhanden., Wenn eine hohe Ausgangsleistung aus einem Class-A-Stromkreis benötigt wird, werden die Stromversorgung und die dazugehörige Wärme erheblich. Für jedes Watt, das an die Last geliefert wird, verwendet der Verstärker selbst bestenfalls ein zusätzliches Watt. Für Hochleistungsverstärker bedeutet dies sehr große und teure Netzteile und Kühlkörper.
• Da die Ausgangsgeräte (im Gegensatz zu einem Verstärker der Klasse A/B) jederzeit in vollem Betrieb sind, haben sie keine so lange Lebensdauer, es sei denn, der Verstärker ist speziell dafür ausgelegt, dies zu berücksichtigen Kosten für die Wartung oder Gestaltung des Verstärkers.,

Class-A-Leistungsverstärkerdesigns wurden weitgehend durch effizientere Designs ersetzt, obwohl ihre Einfachheit sie bei einigen Bastlern beliebt macht. Es gibt einen Markt für teure High-Fidelity-Class-A-Verstärker, die unter Audiophilen als „Kultobjekt“ gelten, hauptsächlich wegen ihrer Abwesenheit von Crossover-Verzerrungen und reduzierten ungeraden harmonischen und harmonischen Verzerrungen hoher Ordnung. Leistungsverstärker der Klasse A werden aufgrund ihrer einzigartigen Klangqualität und zur Wiedergabe von Vintage-Tönen auch in einigen „Boutique“ – Gitarrenverstärkern verwendet.,

Single-Ended-und Triode Class-A-Verstärker

Einige Bastler, die Class-A-Verstärker bevorzugen, bevorzugen aus mehreren Gründen auch die Verwendung von thermionischen Ventil-(Röhren -) Designs anstelle von Transistoren:

• Single–Ended-Ausgangsstufen haben eine asymmetrische Übertragungsfunktion, was bedeutet, dass Oberschwingungen gleichmäßiger Ordnung in der erzeugten Verzerrung dazu neigen, sich nicht aufzuheben (wie dies bei Push-Pull-Ausgangsstufen der Fall ist). Für Röhren oder FETs sind die meisten Verzerrungen Oberschwingungen zweiter Ordnung, von der quadratischen Gesetzübertragungseigenschaft, die zu einigen einen „wärmeren“ und angenehmeren Klang erzeugt.,
• Für diejenigen, die niedrige Verzerrungswerte bevorzugen, führt die Verwendung von Röhren der Klasse A (die, wie oben erwähnt, eine kleine ungerade harmonische Verzerrung erzeugen) zusammen mit symmetrischen Schaltungen (wie Push-Pull–Ausgangsstufen oder symmetrische Low-Level-Stufen) zur Aufhebung der meisten gleichmäßigen Verzerrungsoberwellen, wodurch der größte Teil der Verzerrung beseitigt wird.
• Historisch gesehen wurden Ventilverstärker oft als Class-A – Leistungsverstärker verwendet, nur weil Ventile groß und teuer sind; Viele Class-A-Designs verwenden nur ein einziges Gerät.,

Transistoren sind viel billiger als Rohre, so dass aufwändigere Designs, die mehr Teile verwenden, in der Herstellung immer noch weniger teuer sind als Rohrkonstruktionen. Eine klassische Anwendung für ein Paar von Class-A-Geräten ist das Long-Tailed-Paar, das außergewöhnlich linear ist und die Grundlage für viele komplexere Schaltungen bildet, darunter viele Audioverstärker und fast alle Operationsverstärker.,

Class-A-Verstärker können in Ausgangsstufen von Operationsverstärkern verwendet werden (obwohl die Genauigkeit der Verzerrung bei kostengünstigen Operationsverstärkern wie dem 741 zu einer Leistung der Klasse A oder der Klasse AB oder der Klasse B führen kann, die von Gerät zu Gerät oder mit der Temperatur variiert). Sie werden manchmal als Audio-Leistungsverstärker mittlerer Leistung, niedriger Effizienz und hoher Kosten verwendet. Der Stromverbrauch ist unabhängig von der Ausgangsleistung. Im Leerlauf (kein Eingang) ist der Stromverbrauch im Wesentlichen der gleiche wie bei hohem Ausgangsvolumen. Das Ergebnis ist ein geringer Wirkungsgrad und eine hohe Wärmeableitung.,

Klasse BEdit

In einem Class-B-Verstärker führt das aktive Gerät 180 Grad des Zyklus durch. Dies würde zu unerträglichen Verzerrungen führen, wenn es nur ein Gerät gäbe, so dass normalerweise zwei Geräte verwendet werden, insbesondere bei Audiofrequenzen. Jeder leitet für eine Hälfte (180°) des Signalzyklus, und die Geräteströme werden kombiniert, so dass der Laststrom kontinuierlich ist.,

Wenn die Kopplung an die Last über eine abgestimmte Schaltung erfolgt, kann bei Hochfrequenz ein einzelnes Gerät der Klasse B verwendet werden, da die gespeicherte Energie in der abgestimmten Schaltung die „fehlende“ Hälfte der Wellenform liefert. Geräte, die in Klasse B arbeiten, werden in Linearverstärkern verwendet, die so genannt werden, weil die Radiofrequenzausgangsleistung proportional zum Quadrat der Eingangsanregungsspannung ist. Diese Eigenschaft verhindert eine Verzerrung von amplitudenmodulierten oder frequenzmodulierten Signalen, die durch den Verstärker geleitet werden. Solche Verstärker haben einen Wirkungsgrad um 60%.,

Wenn Class-B-Verstärker das Signal mit zwei aktiven Geräten verstärken, arbeitet jedes über die Hälfte des Zyklus. Die Effizienz wird gegenüber Class-A-Verstärkern deutlich verbessert. Klasse-B-Verstärker werden auch in batteriebetriebenen Geräten wie Transistorradios bevorzugt. Klasse B hat einen maximalen theoretischen Wirkungsgrad von π / 4 (≈78,5%).

Eine praktische Schaltung mit Klasse-B-Elementen ist die Push-Pull-Stufe, wie die sehr vereinfachte komplementäre Paaranordnung rechts gezeigt., Komplementäre Vorrichtungen werden jeweils zur Verstärkung der gegenüberliegenden Hälften des Eingangssignals verwendet, die dann am Ausgang rekombiniert werden. Diese Anordnung ergibt eine gute Effizienz, leidet jedoch in der Regel unter dem Nachteil, dass es im Crossover-Bereich – an den „Verbindungen“ zwischen den beiden Signalhälften-zu einer kleinen Nichtübereinstimmung kommt, da ein Ausgabegerät die Stromversorgung genau so übernehmen muss, wie das andere beendet. Dies wird als crossover-Verzerrung. Eine Verbesserung besteht darin, die Geräte so zu verzerren, dass sie nicht vollständig ausgeschaltet sind, wenn sie nicht verwendet werden. Dieser Ansatz wird als class-AB-Betrieb.,

Class ABEdit

Bei einem Class-AB Verstärker liegt der Leitungswinkel zwischen Klasse A und B; jedes der beiden aktiven Elemente leitet mehr als die Hälfte der Zeit.,Klasse AB wird allgemein als ein guter Kompromiss für Verstärker angesehen, da das Musiksignal die meiste Zeit leise genug ist, dass das Signal in der „Klasse-A“ – Region bleibt, wo es mit guter Wiedergabetreue verstärkt wird, und per Definition, wenn es aus dieser Region austritt, groß genug ist, dass die für Klasse B typischen Verzerrungsprodukte relativ klein sind. Die Crossover-Verzerrung kann durch negative Rückkopplung weiter reduziert werden.

Im Class-AB-Betrieb arbeitet jedes Gerät auf die gleiche Weise wie in Class B über die Hälfte der Wellenform, leitet aber auch eine kleine Menge auf die andere Hälfte., Dadurch wird der Bereich, in dem beide Geräte gleichzeitig ausgeschaltet sind (die „Totzone“), reduziert. Das Ergebnis ist, dass, wenn die Wellenformen von den beiden Geräten kombiniert werden, die Frequenzweiche stark minimiert oder ganz eliminiert wird. Die genaue Wahl des Ruhestroms (der stehende Strom durch beide Geräte, wenn kein Signal vorhanden ist) macht einen großen Unterschied zum Grad der Verzerrung (und zum Risiko eines thermischen Ausreißers, der die Geräte beschädigen kann). Häufig muss die zur Einstellung dieses Ruhestroms angelegte Vorspannung mit der Temperatur der Ausgangstransistoren eingestellt werden., (Beispielsweise würden in der rechts gezeigten Schaltung die Dioden physikalisch nahe an den Ausgangstransistoren montiert und spezifiziert, um einen übereinstimmenden Temperaturkoeffizienten zu haben.) Ein anderer Ansatz (häufig bei thermisch verfolgten Vorspannungen verwendet) besteht darin, kleine Widerstände in Reihe mit den Emittern einzubeziehen.

Klasse AB opfert einen gewissen Wirkungsgrad gegenüber Klasse B zugunsten der Linearität und ist daher weniger effizient (unter 78,5% für Sinuswellen mit voller Amplitude in Transistorverstärkern, typischerweise; viel weniger ist in Klasse-AB-Vakuumröhrenverstärkern üblich). Es ist normalerweise viel effizienter als Klasse A.,

Suffixnummern für Vakuumröhrenverstärkeredit

Ein Vakuumröhrenverstärkerdesign hat manchmal eine zusätzliche Suffixnummer für die Klasse, z. B. Klasse B1. Ein Suffix 1 zeigt an, dass während eines Teils der Eingangswellenform kein Gitterstrom fließt, wobei ein Suffix 2 den Gitterstromfluss für einen Teil der Eingangswellenform angibt. Diese Unterscheidung wirkt sich auf das Design der Treiberstufen für den Verstärker aus. Suffix-Nummern werden nicht für Halbleiterverstärker verwendet.,

Class CEdit

In einem Class-C Verstärker werden weniger als 50% des Eingangssignals verwendet (Leitungswinkel Θ < 180°). Die Verzerrung ist hoch und die praktische Anwendung erfordert eine abgestimmte Schaltung als Last. Die Effizienz kann 80% in Hochfrequenzanwendungen erreichen.

Die übliche Anwendung für Class-C-Verstärker besteht in HF-Sendern, die mit einer einzigen festen Trägerfrequenz arbeiten, wobei die Verzerrung durch eine abgestimmte Belastung des Verstärkers gesteuert wird., Das Eingangssignal wird verwendet, um das aktive Gerät zu schalten, wodurch Stromimpulse durch einen abgestimmten Stromkreis fließen, der Teil der Last ist.

Der Class-C-Verstärker verfügt über zwei Betriebsmodi: abgestimmt und nicht abgestimmt. Das Diagramm zeigt eine Wellenform aus einer einfachen Klasse-C-Schaltung ohne die abgestimmte Last. Dies wird als ungestimmte Operation bezeichnet, und die Analyse der Wellenformen zeigt die massive Verzerrung, die im Signal auftritt. Wenn die richtige Last (z. B. ein induktiv-kapazitives Filter plus ein Lastwiderstand) verwendet wird, passieren zwei Dinge., Der erste ist, dass der Bias-Pegel des Ausgangs mit der durchschnittlichen Ausgangsspannung gleich der Versorgungsspannung festgeklemmt ist. Aus diesem Grund wird diese Operation manchmal als Clamper bezeichnet. Dadurch wird die Wellenform wieder in ihre richtige Form gebracht, obwohl der Verstärker nur eine einpolare Versorgung hat. Dies steht in direktem Zusammenhang mit dem zweiten Phänomen: Die Wellenform auf der Mittenfrequenz wird weniger verzerrt., Die Restverzerrung ist abhängig von der Bandbreite der abgestimmten Last, wobei die Mittenfrequenz sehr wenig Verzerrung sieht, aber eine größere Dämpfung, je weiter von der abgestimmten Frequenz entfernt, die das Signal erhält.

Die abgestimmte Schaltung schwingt mit einer Frequenz, der festen Trägerfrequenz, und so werden die unerwünschten Frequenzen unterdrückt, und das gewünschte volle Signal (Sinuswelle) wird durch die abgestimmte Last extrahiert. Die Signalbandbreite des Verstärkers ist durch den Q-Faktor der abgestimmten Schaltung begrenzt, dies ist jedoch keine ernsthafte Einschränkung., Etwaige Restharmoniken können mit einem weiteren Filter entfernt werden.

In praktischen Class-C-Verstärkern wird ausnahmslos eine abgestimmte Last verwendet. In einer gemeinsamen Anordnung wird der in der obigen Schaltung gezeigte Widerstand durch eine parallel abgestimmte Schaltung ersetzt, die aus einem Induktor und einem Kondensator parallel besteht, deren Komponenten so gewählt sind, dass sie mit der Frequenz des Eingangssignals in Resonanz treten. Die Leistung kann durch Transformatorwirkung mit einer auf den Induktor gewickelten Sekundärspule an eine Last gekoppelt werden., Die durchschnittliche Spannung am Kollektor ist dann gleich der Versorgungsspannung, und die Signalspannung, die über die abgestimmte Schaltung erscheint, variiert von nahe Null bis nahe der doppelten Versorgungsspannung während des HF-Zyklus. Die Eingangsschaltung ist vorgespannt, so dass das aktive Element (z. B. Transistor) nur für einen Bruchteil des HF-Zyklus leitet, normalerweise ein Drittel (120 Grad) oder weniger.

Das aktive Element leitet nur, während die Kollektorspannung sein Minimum durchläuft. Dadurch wird die Verlustleistung im aktiven Gerät minimiert und der Wirkungsgrad erhöht., Idealerweise würde das aktive Element nur einen momentanen Stromimpuls durchlaufen, während die Spannung darüber Null ist: Es leitet dann keine Leistung ab und es wird ein Wirkungsgrad von 100% erreicht. Praktische Geräte haben jedoch eine Grenze für den Spitzenstrom, den sie passieren können, und der Impuls muss daher auf etwa 120 Grad erweitert werden, um eine angemessene Menge an Leistung zu erhalten, und der Wirkungsgrad beträgt dann 60-70%.

Class DEdit

Class-D verstärker verwenden eine form von puls-breite modulation zu steuern die ausgang geräte. Der Leitungswinkel jedes Gerätes steht nicht mehr in direktem Zusammenhang mit dem Eingangssignal, sondern variiert in der Impulsbreite.

Im Class-D-Verstärker fungieren die aktiven Geräte (Transistoren) als elektronische Schalter anstelle von linearen Verstärkungsgeräten; sie sind entweder ein-oder ausgeschaltet., Das analoge Signal wird in einen Strom von Impulsen umgewandelt, der das Signal durch Pulsweitenmodulation, Pulsdichtemodulation, Delta-Sigma-Modulation oder eine verwandte Modulationstechnik darstellt, bevor es auf den Verstärker angewendet wird. Der zeitliche mittlere Leistungswert der Impulse ist direkt proportional zum analogen Signal, so dass nach der Verstärkung das Signal durch ein passives Tiefpassfilter wieder in ein analoges Signal umgewandelt werden kann.Der Zweck des Ausgangsfilters besteht darin, den Impulsstrom zu einem analogen Signal zu glätten und die hochfrequenten spektralen Komponenten der Impulse zu entfernen., Die Frequenz der Ausgangsimpulse ist typischerweise das Zehnfache oder mehrfache der höchsten Frequenz im Eingangssignal zu verstärken, so dass das Filter die unerwünschten Oberwellen adäquat reduzieren und den Eingang genau reproduzieren kann.

Der Hauptvorteil eines Class-D-Verstärkers ist die Energieeffizienz. Da die Ausgangsimpulse eine feste Amplitude haben, werden die Schaltelemente (normalerweise MOSFETs, aber Vakuumröhren und einmal Bipolartransistoren) entweder vollständig ein-oder ausgeschaltet, anstatt im linearen Modus betrieben zu werden., Ein MOSFET arbeitet mit dem niedrigsten Widerstand, wenn es vollständig eingeschaltet ist, und hat daher (außer wenn es vollständig ausgeschaltet ist) die geringste Verlustleistung, wenn es sich in diesem Zustand befindet. Im Vergleich zu einem äquivalenten Class-AB-Gerät ermöglichen die geringeren Verluste eines Class-D-Verstärkers die Verwendung eines kleineren Kühlkörpers für die MOSFETs, während gleichzeitig die erforderliche Eingangsleistung reduziert wird, was ein Stromversorgungsdesign mit geringerer Kapazität ermöglicht. Daher sind Class-D-Verstärker typischerweise kleiner als ein äquivalenter Class-AB-Verstärker.,

Ein weiterer Vorteil des Class-D-Verstärkers besteht darin, dass er von einer digitalen Signalquelle aus arbeiten kann, ohne dass zuerst ein Digital-Analog-Wandler (DAC) erforderlich ist, um das Signal in analoge Form umzuwandeln. Wenn die Signalquelle in digitaler Form vorliegt, wie beispielsweise in einem digitalen Mediaplayer oder einer Computersoundkarte, kann die digitale Schaltung das binäre digitale Signal direkt in ein Pulsweitenmodulationssignal umwandeln, das an den Verstärker angelegt wird, wodurch die Schaltung erheblich vereinfacht wird.,

Ein Class-D-Verstärker mit mäßiger Ausgangsleistung kann mit einem normalen CMOS-Logikprozess konstruiert werden, wodurch er für die Integration mit anderen Arten digitaler Schaltungen geeignet ist. So wird es häufig in System-on-Chips mit integriertem Audio gefunden, wenn der Verstärker einen Würfel mit dem Hauptprozessor oder DSP teilt.

Class-D-Verstärker werden häufig zur Steuerung von Motoren verwendet-werden aber jetzt auch als Leistungsverstärker verwendet, mit zusätzlichen Schaltkreisen, die analoges in ein viel höheres frequenzpulsbreitenmoduliertes Signal umwandeln., Schaltnetzteile wurden sogar zu rohen Class-D-Verstärkern modifiziert (obwohl diese normalerweise nur niedrige Frequenzen mit akzeptabler Genauigkeit reproduzieren).

Hochwertige Class-D-Audio – Leistungsverstärker sind jetzt auf dem Markt erschienen. Diese Designs sollen in Bezug auf Qualität mit herkömmlichen AB-Verstärkern konkurrieren. Ein früher Einsatz von Class-D-Verstärkern waren Hochleistungs-Subwoofer-Verstärker in Autos., Da Subwoofer im Allgemeinen auf eine Bandbreite von nicht mehr als 150 Hz begrenzt sind, muss die Schaltgeschwindigkeit für den Verstärker nicht so hoch sein wie für einen Vollbereichsverstärker, was einfachere Designs ermöglicht. Class-D-Verstärker zum Ansteuern von Subwoofern sind im Vergleich zu Class-AB-Verstärkern relativ kostengünstig.

Der Buchstabe D, mit dem diese Verstärkerklasse bezeichnet wird, ist einfach der nächste Buchstabe nach C und steht, obwohl er gelegentlich als solcher verwendet wird, nicht für digital., Class-D-und Class-E-Verstärker werden manchmal fälschlicherweise als „digital“ beschrieben, da die Ausgangswellenform oberflächlich einem Impulszug digitaler Symbole ähnelt,ein Class-D-Verstärker jedoch lediglich eine Eingangswellenform in ein kontinuierlich pulsweitenmoduliertes analoges Signal umwandelt. (Eine digitale Wellenform wäre pulscodemoduliert.)

Zusätzliche klassenEdit

Andere Verstärkerklassen sind hauptsächlich Variationen der vorherigen Klassen., Beispielsweise sind Class-G-und Class-H-Verstärker durch Variation der Versorgungsschienen (in diskreten Schritten bzw. in kontinuierlicher Weise) gekennzeichnet, die dem Eingangssignal folgen. Die Verschwendung von Wärme an den Ausgabegeräten kann reduziert werden, wenn die Überspannung auf ein Minimum reduziert wird. Der Verstärker, der mit diesen Schienen selbst gespeist wird, kann von jeder Klasse sein. Diese Arten von Verstärkern sind komplexer und werden hauptsächlich für spezielle Anwendungen wie sehr Hochleistungsgeräte verwendet., Außerdem werden Klasse-E-und Klasse-F-Verstärker häufig in der Literatur für Hochfrequenzanwendungen beschrieben, bei denen die Effizienz der traditionellen Klassen wichtig ist, jedoch mehrere Aspekte wesentlich von ihren Idealwerten abweichen. Diese Klassen verwenden eine harmonische Abstimmung ihrer Ausgangsnetze, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, und können aufgrund ihrer Leitungswinkeleigenschaften als Teilmenge der Klasse C betrachtet werden.

Class E >

Der Class-E-Verstärker ist ein hocheffizienter abgestimmter Schaltleistungsverstärker, der bei Funkfrequenzen eingesetzt wird., Es verwendet ein einpoliges Schaltelement und ein abgestimmtes reaktives Netzwerk zwischen dem Schalter und der Last. Die Schaltung erhält einen hohen Wirkungsgrad, indem sie das Schaltelement nur an Punkten mit Nullstrom (Ein-bis Ausschalten) oder Nullspannung (Aus-bis Einschalten) betätigt, wodurch der Leistungsverlust im Schalter minimiert wird, selbst wenn die Schaltzeit der Geräte im Vergleich zur Betriebsfrequenz lang ist.

Der Class-E-Verstärker wird häufig zitiert, um erstmals 1975 berichtet worden zu sein. Eine vollständige Beschreibung der Class-E-Operation findet sich jedoch in der Doktorarbeit von Gerald D. Ewing von 1964., Interessanterweise wurden analytische Designgleichungen erst kürzlich bekannt.

Class FEdit

In Push-Pull-Verstärkern und im CMOS brechen die gleichmäßigen Oberschwingungen beider Transistoren einfach ab. Experiment zeigt, dass eine Rechteckwelle erzeugt werden kann, indem diejenigen, die Verstärker. Theoretisch bestehen Rechteckwellen nur aus ungeraden Harmonischen. In einem Class-D-Verstärker blockiert das Ausgangsfilter alle Oberwellen; dh die Oberwellen sehen eine offene Last. So genügen auch kleine Ströme in den Oberschwingungen, um eine Spannungsquadratwelle zu erzeugen., Der strom ist in phase mit der Spannung an den Filter angelegt, aber die Spannung über die Transistoren ist aus phase. Daher gibt es eine minimale Überlappung zwischen Strom durch die Transistoren und Spannung über die Transistoren. Je schärfer die Kanten, desto niedriger die Überlappung.

Während in Klasse D Transistoren und Last als zwei separate Module existieren, gibt Klasse F Unvollkommenheiten wie die Parasiten des Transistors zu und versucht, das globale System zu optimieren, um eine hohe Impedanz an den Oberwellen zu haben., Natürlich muss es eine endliche Spannung über den Transistor geben, um den Strom über den Ein-Zustand-Widerstand zu drücken. Da der kombinierte Strom durch beide Transistoren meist in der ersten Harmonischen ist, sieht es aus wie ein Sinus. Das bedeutet, dass in der Mitte des Quadrats das Maximum des Stroms fließen muss, so dass es sinnvoll sein kann, ein Eintauchen in das Quadrat zu haben oder mit anderen Worten, eine gewisse Übersättigung der Spannungsquadratwelle zuzulassen. Ein Class-F-Lastnetzwerk muss per Definition unterhalb einer Grenzfrequenz senden und darüber reflektieren.,

Jede Frequenz, die unter dem Grenzwert liegt und ihre zweite Harmonische über dem Grenzwert hat, kann verstärkt werden, dh eine Oktavbandbreite. Andererseits kann eine induktiv-kapazitive Reihenschaltung mit einer großen Induktivität und einer abstimmbaren Kapazität einfacher zu implementieren sein. Durch Verringern des Tastverhältnisses unter 0,5 kann die Ausgangsamplitude moduliert werden. Die Spannungsquadratwellenform verschlechtert sich, aber jede Überhitzung wird durch die geringere Gesamtleistung kompensiert., Jede Lastkongruenz hinter dem Filter kann nur auf die erste harmonische Stromwellenform einwirken, eindeutig macht nur eine rein resistive Last Sinn, dann ist der Widerstand umso niedriger, je höher der Strom ist.

Klasse F kann durch Sinus oder durch eine Rechteckwelle angetrieben werden, für einen Sinus kann der Eingang durch einen Induktor abgestimmt werden, um die Verstärkung zu erhöhen. Wenn die Klasse F mit einem einzelnen Transistor implementiert ist, ist es kompliziert, die geraden Oberschwingungen zu verkürzen. Alle vorherigen Designs verwenden scharfe Kanten, um die Überlappung zu minimieren.

Klassen G und HEdit

There are a variety of amplifier designs that enhance class-AB output stages with more efficient techniques to achieve greater efficiency with low distortion., Diese Konstruktionen sind in großen Audioverstärkern üblich, da die Kühlkörper und Leistungstransformatoren ohne die Effizienzsteigerungen unerschwinglich groß (und kostspielig) wären. Die Begriffe „Klasse G“ und „Klasse H“ werden austauschbar verwendet, um sich auf verschiedene Designs zu beziehen, die sich in der Definition von einem Hersteller oder Papier zum anderen unterscheiden.

Class-G-Verstärker (die „Rail Switching“ verwenden, um den Stromverbrauch zu senken und die Effizienz zu steigern) sind effizienter als Class-AB-Verstärker., Diese Verstärker stellen mehrere Leistungsschienen mit unterschiedlichen Spannungen bereit und schalten zwischen ihnen, wenn sich der Signalausgang jedem Pegel nähert. Somit erhöht der Verstärker die Effizienz, indem er die verschwendete Leistung an den Ausgangstransistoren reduziert. Klasse-G-Verstärker sind effizienter als Klasse AB, aber im Vergleich zu Klasse D weniger effizient, haben jedoch nicht die elektromagnetischen Störeffekte der Klasse D.

Class-H-Verstärker erzeugen eine stufenlose (analoge) Versorgungsschiene. Sie werden manchmal als rail Tracker., Dies geschieht, indem die Versorgungsschienen so moduliert werden, dass die Schienen nur wenige Volt größer sind als das Ausgangssignal, das sie zu einem bestimmten Zeitpunkt „verfolgt“. Die Ausgangsstufe arbeitet ständig mit maximaler Effizienz. Dies liegt an der Schaltungsfähigkeit, die Schienentransistoren (T2 und T4) in Cutoff zu halten, bis eine bestimmte Spannungsspitze ausreichend groß ist, um die zusätzliche Spannung von den + und – 80 V Versorgungen zu benötigen. Siehe die schematische Abbildung. Der Klasse-H-Verstärker kann eigentlich als zwei Verstärker in Reihe gedacht werden., In dem schematischen Beispiel, das in der Abbildung gezeigt wird, können + – 40-V-Schienenverstärker ungefähr 100 Watt kontinuierlich in eine 8-Ohm-Last erzeugen. Wenn das Vout-Musiksignal unter 40 Volt arbeitet, weist der Verstärker nur die Verluste auf, die einem 100-W-Verstärker zugeordnet sind. Dies liegt daran, dass die Obergeräte der Klasse H T2 und T4 nur verwendet werden, wenn das Musiksignal zwischen 100 und 400 Watt ausgegeben wird. Der Schlüssel zum Verständnis dieser Effizienz, ohne die tatsächlichen Zahlen zu verändern, ist, dass wir einen 400-Watt-fähigen Verstärker mit der Effizienz eines 100-Watt-Verstärkers haben., Dies liegt daran, dass die Wellenformen der Musik lange Zeiträume unter 100 Watt enthalten und nur kurze Ausbrüche von bis zu 400 Watt augenblicklich enthalten; mit anderen Worten, die Verluste bei 400 Watt sind für kurze Zeiträume. Wenn dieses Beispiel als Klasse AB mit nur den 80-V-Versorgungen anstelle der 40-V-Versorgungen gezeichnet würde, müssten die T1 – und T3-Transistoren während der gesamten Vout-Wellenperiode über das 0-V-bis 80-V-Signal mit den entsprechenden VI-Verlusten geleitet werden-nicht nur die kurzen Hochenergieausbrüche., Um diese Schienenverfolgungssteuerung zu erreichen, fungieren T2 und T4 als Stromverstärker, jeder in Reihe mit seinem Niederspannungsgegenstück T1 und T3. Der Zweck von T2 und T3 besteht darin, eine Back-Biasing-Diode D2 zuzulassen, wenn Vout einen positiven Peak (über 39,3 V) hat, und eine Back-Biasing-Diode D4, wenn Vout einen negativen Peak von weniger als -39,3 V hat.Während der Vout-Diodenspitzen von 100 bis 400 Watt haben die 40-V-Versorgungen Null Ampere, da der gesamte Strom von den 80-V-Schienen stammt. Diese Zahl ist jedoch zu simpel, da sie die T2 T4-Transistoren überhaupt nicht steuern wird., Dies liegt daran, dass die D1 – und D3-Dioden, die einen Weg für den Vout zurück in die oberen Geräte bieten sollen, immer rückwärts voreingenommen sind. Sie werden rückwärts gezogen. Anstelle dieser Dioden würde in einem tatsächlichen Design ein Spannungsverstärker mit Verstärkung benötigt, der Vout als Eingang verwendet. Es gibt einen weiteren Grund für diese Verstärkungsanforderung zwischen Vout-und T2-Basis in einem tatsächlichen Klasse-H-Design, und dies soll sicherstellen, dass das an den T2 angewendete Signal dem Vout-Signal immer „voraus“ ist, sodass es niemals „aufholen“ kann mit dem Schienentracker., Der Rail-Tracker-Verstärker hat möglicherweise eine 50 V / µs-Slew-Rate, während der AB-Verstärker nur eine 30 V/µs-Slew-Rate hat, um dies zu gewährleisten.