Effektförstärkarklasser

i en klass-AB-förstärkare är ledningsvinkeln mellanliggande mellan klass A och B; var och en av de två aktiva elementen leder mer än hälften av tiden.,Klass AB anses allmänt vara en bra kompromiss för förstärkare, eftersom mycket av tiden musiksignalen är tyst nog att signalen stannar i ”klass-A” – regionen, där den förstärks med god trohet, och per definition om den passerar ut ur denna region, är stor nog att distorsionsprodukterna som är typiska för klass B är relativt små. Crossover distorsion kan minskas ytterligare genom att använda negativ feedback.

i klass-AB-drift fungerar varje enhet på samma sätt som i klass B över hälften av vågformen, men utför också en liten mängd på den andra halvan., Som ett resultat reduceras regionen där båda enheterna samtidigt är nästan avstängda (”dödzonen”). Resultatet är att när vågformarna från de två enheterna kombineras minimeras eller elimineras crossover helt och hållet. Det exakta valet av quiescentström (den stående strömmen genom båda enheterna när det inte finns någon signal) gör stor skillnad mot förvrängningsnivån (och risken för termisk runaway, vilket kan skada enheterna). Ofta, förspänning appliceras för att ställa in denna quiescent ström måste justeras med temperaturen hos utgångstransistorer., (Till exempel i den krets som visas till höger, dioderna skulle monteras fysiskt nära utgångstransistorer, och anges för att ha en matchad temperaturkoefficient.) Ett annat tillvägagångssätt (som ofta används med termiskt spårning bias spänningar) är att inkludera små värde motstånd i serie med emittrarna.

Class AB offrar viss effektivitet över klass B till förmån för linearitet, vilket är mindre effektivt (under 78,5% för full amplitud sinusvågor i transistorförstärkare, typiskt; mycket mindre är vanligt i klass-AB vakuumrörförstärkare). Det är vanligtvis mycket effektivare än klass A.,

Suffixnummer för vakuumrör amplifiersEdit

en vakuumrörförstärkardesign kommer ibland att ha ett extra suffixnummer för klassen, till exempel klass B1. Ett suffix 1 indikerar att rutnätsströmmen inte strömmar under någon del av ingångsvågformen, där ett suffix 2 anger rutnätsströmsflöden för en del av ingångsvågformen. Denna skillnad påverkar utformningen av förarstadierna för förstärkaren. Suffix nummer används inte för halvledarförstärkare.,

klass CEdit

i en klass-C-förstärkare används mindre än 50% av ingångssignalen (ledningsvinkel Θ< 180°). Distorsion är hög och praktisk användning kräver en inställd krets som belastning. Effektiviteten kan nå 80% i radiofrekvensapplikationer.

den vanliga applikationen för klass-C-förstärkare är i RF-sändare som arbetar med en enda fast Bärfrekvens, där förvrängningen styrs av en inställd belastning på förstärkaren., Ingångssignalen används för att växla den aktiva enheten, vilket orsakar strömpulser att strömma genom en avstämd krets som utgör en del av lasten.

class-C-förstärkaren har två driftsätt: tuned och untuned. Diagrammet visar en vågform från en enkel klass-C-krets utan inställd belastning. Detta kallas untuned operation, och analysen av vågformerna visar den massiva distorsionen som visas i signalen. När rätt belastning (t.ex. ett induktivt kapacitivt filter plus ett Lastmotstånd) används, händer två saker., Den första är att utmatningens biasnivå är klämd med den genomsnittliga utspänningen lika med matningsspänningen. Därför kallas avstämd operation ibland en clamper. Detta återställer vågformen till sin rätta form, trots att förstärkaren bara har en polaritetsförsörjning. Detta är direkt relaterat till det andra fenomenet: vågformen på mittfrekvensen blir mindre förvrängd., Den återstående distorsionen är beroende av bandbredden för den inställda belastningen, med centerfrekvensen ser väldigt liten distorsion, men större dämpning ju längre från den inställda frekvensen som signalen får.

den inställda kretsen resonerar vid en frekvens, den fasta bärfrekvensen, och så undertrycks de oönskade frekvenserna, och den önskade fullsignalen (sinusvågen) extraheras av den inställda belastningen. Förstärkarens signalbandbredd är begränsad av Q-faktorn för den inställda kretsen, men detta är inte en allvarlig begränsning., Eventuella kvarvarande övertoner kan avlägsnas med ett ytterligare filter.

i praktiska klass-C-förstärkare används alltid en inställd belastning. I ett gemensamt arrangemang ersätts motståndet som visas i kretsen ovan med en parallellinställd krets bestående av en induktor och kondensator parallellt, vars komponenter väljs för att resonera vid ingångssignalens frekvens. Effekt kan kopplas till en belastning genom transformatorverkan med en sekundär spole lindad på induktorn., Den genomsnittliga spänningen vid kollektorn är då lika med matningsspänningen, och signalspänningen som uppträder över den inställda kretsen varierar från nära noll till nära dubbelt matningsspänningen under RF-cykeln. Ingångskretsen är partisk så att det aktiva elementet (t.ex. transistor) leder för endast en bråkdel av RF-cykeln, vanligtvis en tredjedel (120 grader) eller mindre.

det aktiva elementet leder endast medan samlarspänningen passerar genom sitt minimum. På så sätt minimeras strömförlusten i den aktiva enheten och effektiviteten ökar., Helst skulle det aktiva elementet passera endast en ögonblicklig strömpuls medan spänningen över den är noll: den släpper sedan ingen effekt och 100% effektivitet uppnås. Men praktiska anordningar har en gräns för toppströmmen de kan passera, och pulsen måste därför breddas till cirka 120 grader för att erhålla en rimlig mängd kraft och effektiviteten är då 60-70%.

klass DEdit

class-D-förstärkare använder någon form av pulsbreddsmodulering för att styra utmatningsenheterna. Ledningsvinkeln för varje enhet är inte längre relaterad direkt till ingångssignalen utan varierar i stället i pulsbredden.

i klass-D-förstärkaren fungerar de aktiva enheterna (transistorer) som elektroniska omkopplare istället för linjära förstärkningsanordningar; de är antingen på eller av., Den analoga signalen omvandlas till en ström av pulser som representerar signalen genom pulsbreddsmodulering, pulsdensitetsmodulering, delta-sigma-modulering eller en relaterad moduleringsteknik innan den appliceras på förstärkaren. Tidsmedelvärdet för pulserna är direkt proportionellt mot den analoga signalen, så efter förstärkning kan signalen omvandlas tillbaka till en analog signal med ett passivt lågpassfilter.Syftet med utgångsfiltret är att släta pulsströmmen till en analog signal och avlägsna pulsernas högfrekventa spektrala komponenter., Frekvensen av utgångspulserna är typiskt tio eller flera gånger den högsta frekvensen i ingångssignalen för att förstärka, så att filtret på ett adekvat sätt kan minska oönskade övertoner och korrekt återge ingången.

den största fördelen med en klass-D-förstärkare är effekteffektivitet. Eftersom utgångspulserna har en fast Amplitud, kopplingselementen (vanligtvis MOSFET, men vakuumrör, och vid en tidpunkt bipolära transistorer, användes) slås antingen helt på eller helt av, snarare än drivs i linjärt läge., En MOSFET arbetar med det lägsta motståndet när den är helt på och därmed (exklusive när den är helt av) har den lägsta effektförlusten när den är i det tillståndet. Jämfört med en likvärdig klass-AB-enhet tillåter en klass-D-förstärkares lägre förluster användningen av en mindre kylfläns för MOSFETs samtidigt som man minskar den mängd ingångseffekt som krävs, vilket möjliggör en strömförsörjningsdesign med lägre kapacitet. Därför är klass-D-förstärkare vanligtvis mindre än en motsvarande klass-AB-förstärkare.,

en annan fördel med Class-D-förstärkaren är att den kan fungera från en digital signalkälla utan att kräva en digital-till-analog-omvandlare (DAC) för att konvertera signalen till analog form först. Om signalkällan är i digital form, såsom i en digital mediaspelare eller dator ljudkort, kan de digitala kretsarna konvertera den binära digitala signalen direkt till en pulsbreddsmoduleringssignal som appliceras på förstärkaren, vilket förenklar kretsarna avsevärt.,

en klass-D-förstärkare med måttlig uteffekt kan konstrueras med hjälp av vanlig CMOS-logikprocess, vilket gör den lämplig för integration med andra typer av digitala kretsar. Således finns det ofta i system-on-Chips med integrerat ljud när förstärkaren delar ett munstycke med huvudprocessorn eller DSP.

klass-D-förstärkare används ofta för att styra motorer-men används nu också som effektförstärkare, med extra kretsar som omvandlar analog till en mycket högre frekvens pulsbredd modulerad signal., Omkoppling av nätaggregat har även modifierats till råa klass-D-förstärkare (även om dessa vanligtvis endast återger lågfrekvenser med acceptabel noggrannhet).

högkvalitativa ljudförstärkare av klass D har nu dykt upp på marknaden. Dessa mönster har sagts konkurrera traditionella AB förstärkare när det gäller kvalitet. En tidig användning av klass-D förstärkare var hög effekt subwooferförstärkare i bilar., Eftersom subwoofers i allmänhet är begränsade till en bandbredd på högst 150 Hz, behöver omkopplingshastigheten för förstärkaren inte vara så hög som för en full range-förstärkare, vilket möjliggör enklare mönster. Klass-D-förstärkare för att köra subwoofers är relativt billiga i jämförelse med klass-AB-förstärkare.

bokstaven D som används för att beteckna denna förstärkarklass är helt enkelt nästa bokstav efter C och, även om den ibland används som sådan, står inte för digital., Förstärkare av klass-D och Klass-E beskrivs ibland felaktigt som ”digitala” eftersom utgångsvågformen ytligt liknar ett pulståg av digitala symboler, men en klass-D-förstärkare omvandlar bara en ingångsvågform till en kontinuerligt pulsbreddmodulerad analog signal. (En digital vågform skulle vara pulskodmodulerad.)

ytterligare klasseredit

andra förstärkarklasser är huvudsakligen variationer av de tidigare klasserna., Förstärkare av klass-G och klass-H är till exempel markerade med variation av tillförselskenorna (i diskreta steg eller kontinuerligt) efter ingångssignalen. Bortkastad värme på utgångsenheterna kan minskas eftersom överspänning hålls till ett minimum. Förstärkaren som matas med dessa skenor själv kan vara av vilken klass som helst. Dessa typer av förstärkare är mer komplexa och används huvudsakligen för specialiserade applikationer, såsom mycket högeffektenheter., Klass-E och klass-F-förstärkare beskrivs också ofta i litteratur för radiofrekvensapplikationer där effektiviteten hos de traditionella klasserna är viktig, men flera aspekter avviker väsentligt från deras idealvärden. Dessa klasser använder harmonisk inställning av sina utgångsnät för att uppnå högre effektivitet och kan betraktas som en delmängd av klass C på grund av deras ledningsvinkelegenskaper.

class EEdit

class-e-förstärkaren är en högeffektiv avstämd omkopplingseffekt förstärkare som används vid radiofrekvenser., Den använder ett enpoligt kopplingselement och ett avstämt reaktivt nätverk mellan omkopplaren och lasten. Kretsen erhåller hög effektivitet genom att endast använda kopplingselementet vid nollströmspunkter (Till frånkoppling) eller nollspänning (från till påkoppling) vilket minimerar strömförlusten i omkopplaren, även när kopplingstiden för enheterna är lång jämfört med driftsfrekvensen.

Klass-E-förstärkaren citeras ofta för att ha rapporterats först 1975. En fullständig beskrivning av klass-E-verksamheten finns dock i 1964 års doktorsavhandling av Gerald D. Ewing., Intressant blev analytisk design-Ekvationer nyligen kända.

klass FEdit

i push–pull förstärkare och i CMOS, de jämna övertoner av båda transistorer bara avbryta. Experiment visar att en fyrkantig våg kan genereras av dessa förstärkare. Teoretiskt består kvadratiska vågor av udda övertoner endast. I en klass-D-förstärkare blockerar utgångsfiltret alla övertoner; dvs övertonen ser en öppen belastning. Så även små strömmar i övertonen räcker för att generera en spänning kvadratisk våg., Strömmen är i fas med spänningen appliceras på filtret, men spänningen över transistorer är ur fas. Därför finns det en minimal överlappning mellan ström genom transistorer och spänning över transistorer. Ju skarpare kanterna desto lägre överlappar varandra.

medan det i klass D, transistorer och lasten finns som två separata moduler, medger klass F brister som transistorns parasitik och försöker optimera det globala systemet för att ha en hög impedans vid harmonikerna., Naturligtvis måste det finnas en ändlig spänning över transistorn för att driva strömmen över on-state-motståndet. Eftersom den kombinerade strömmen genom båda transistorer är mestadels i den första harmoniska, ser det ut som en sinus. Det betyder att i mitten av torget den maximala strömmen måste flöda, så det kan vara vettigt att ha ett dopp i torget eller med andra ord för att tillåta vissa översvängningar av spänningen kvadratisk våg. Ett klass-F-belastningsnät per definition måste sända under en brytfrekvens och reflektera över.,

varje frekvens som ligger under cutoff och har sin andra harmoniska ovanför cutoff kan förstärkas, det vill säga en oktav bandbredd. Å andra sidan kan en induktiv-kapacitiv seriekrets med stor induktans och en avstämbar kapacitans vara enklare att implementera. Genom att minska arbetscykeln under 0,5 kan utgångsamplituden moduleras. Spänningen kvadratisk vågform försämras, men överhettning kompenseras av den lägre totala effekten som strömmar., Varje lastmatchning bakom filtret kan bara fungera på den första harmoniska strömvågformen, klart bara en rent resistiv belastning är meningsfull, då ju lägre motståndet desto högre ström.

klass F kan drivas av sinus eller av en fyrkantig våg, för en sinus kan ingången ställas in av en induktor för att öka förstärkningen. Om klass F genomförs med en enda transistor, är filtret komplicerat att korta jämna övertoner. Alla tidigare mönster använder skarpa kanter för att minimera överlappningen.

klasserna G och 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., Dessa mönster är vanliga i stora ljudförstärkare eftersom kylflänsarna och krafttransformatorerna skulle vara oöverkomligt stora (och kostsamma) utan effektivitetsökningar. Termerna ”klass G” och ”klass H” används omväxlande för att hänvisa till olika mönster, som varierar i definition från en tillverkare eller papper till en annan.

klass-G förstärkare (som använder ”rail switching” för att minska strömförbrukningen och öka effektiviteten) är effektivare än klass-AB förstärkare., Dessa förstärkare ger flera strömskenor vid olika spänningar och växlar mellan dem när signalutgången närmar sig varje nivå. Således ökar förstärkaren effektiviteten genom att minska den bortkastade effekten vid utgångstransistorerna. Klass-G-förstärkare är effektivare än klass AB men mindre effektiva jämfört med klass D, men de har inte de elektromagnetiska störningseffekterna av klass D.

klass-H-förstärkare skapar en oändligt variabel (analog) matningsskena. De kallas ibland för spårare., Detta görs genom att modulera tillförselskenorna så att skenorna bara är några få volt större än utgångssignalen ”spårning” den vid varje given tidpunkt. Utgångssteget fungerar vid maximal effektivitet hela tiden. Detta beror på kretsförmågan att hålla järnvägstransistorer (T2 och T4) i cutoff tills en musikspänningstopp är av tillräcklig storlek för att kräva ytterligare spänning från + och – 80 V-leveranserna. Se den schematiska figuren. Klass H-förstärkaren kan faktiskt ses som två förstärkare i serie., I det schematiska exemplet som visas av figuren kan + – 40 V skenförstärkare producera ca 100 watt kontinuerligt till en 8 ohm belastning. Om vout – musiksignalen fungerar under 40 volt har förstärkaren endast de förluster som är förknippade med en 100 W-förstärkare. Detta beror på att Klass h övre enheter T2 och T4 endast används när musiksignalen är mellan 100 och 400 Watt utgång. Nyckeln till att förstå denna effektivitet utan att pressa de faktiska siffrorna är att vi har en 400 Watt kapabel förstärkare men med effektiviteten hos en 100 Watt förstärkare., Detta beror på att vågformerna av musik innehåller långa perioder under 100 watt och innehåller endast korta utbrott på upp till 400 Watt momentant; med andra ord är förlusterna vid 400 watt för korta tidsperioder. Om detta exempel drogs som en klass AB med bara 80 V-tillförseln i stället för 40 V-tillförseln, skulle T1-och T3-transistorerna behöva ledas under hela 0 V till 80 V-signalen med motsvarande vi-förluster genom vout-vågperioden – inte bara de korta höga energibrusterna., För att uppnå denna spårningskontroll fungerar T2 och T4 som strömförstärkare, var och en i serie med sin lågspänningsmottagare T1 och T3. Syftet med T2 och T3 är att tillåta back-biasing diod D2 när vout är på en positiv topp (över 39,3 V) och back biasing D4 när vout är på negativ topp mindre än -39,3 V. under vout musikaliska toppar från 100 till 400 Watt, 40 V leveranser har noll ampere dras från dem som all ström kommer från 80 V skenor. Denna siffra är alltför förenklad men eftersom den faktiskt inte kommer att kontrollera T2 T4 transistorer alls., Detta beror på att D1-och D3-dioderna som är avsedda att ge en väg för vout tillbaka till de övre enheterna alltid är omvända partiska. De dras bakåt. I stället för dessa dioder skulle en spänningsförstärkare med förstärkning som använder vout som ingång behövas i en faktisk design. Det finns en annan anledning till detta förstärkningskrav mellan vout och T2-bas i en faktisk klass H-design och det är för att försäkra att signalen som appliceras på T2 alltid är ”framåt” av Vout-signalen så att den aldrig kan ”komma ikapp” med järnvägsspåraren., Rail tracker förstärkaren kan ha en 50 V/µs slew hastighet medan AB förstärkaren kan ha endast en 30 V / µs slew hastighet för att garantera detta.